Cette thèse a pour objectif la quantification de l’impact d’incertitudes affectant le processus de Retournement Temporel (RT). Ces aléas, de natures diverses, peuvent avoir une forte influence s’ils se produisent entre les deux étapes du RT. Dans cette optique la méthode de Collocation Stochastique (CS) est utilisée. Les très bons résultats en termes d’efficacité et de précision observés lors de précédentes études en Compatibilité ÉlectroMagnétique (CEM) se confirment ici, pour des problématiques de RT. Cependant, lorsque la dimension du problème à traiter augmente (nombre de variables aléatoires important), la méthode de CS atteint ses limites en termes d’efficacité. Une étude a donc été menée sur les méthodes d’Analyse de Sensibilité (AS) qui permettent de déterminer les parts d’influence respectives des entrées d’un modèle. Parmi les différentes techniques quantitatives et qualitatives, la méthode de Morris et un calcul des indices de Sobol totaux ont été retenus. Ces derniers apportent des résultats qualitatifs à moindre frais, car seule une séparation des variables prépondérantes est recherchée. C’est pourquoi une méthodologie combinant des techniques d’AS avec la méthode de CS a été développée. En réduisant le modèle aux seules variables prédominantes grâce à une première étude faisant intervenir les méthodes d’AS, la CS peut ensuite retrouver toute son efficacité avec une grande précision. Ce processus global a été validé face à la méthode de Monte Carlo sur différentes problématiques mettant en jeu le RT soumis à des aléas de natures variées. / The aim of this thesis is to measure and quantify the impacts of uncertainties in the Time Reversal (TR) process. These random variations, coming from diverse sources, can have a huge influence if they happen between the TR steps. On this perspective, the Stochastique Collocation (SC) method is used. Very good results in terms of effectiveness and accuracy had been noticed in previous studies in ElectroMagnetic Compatibility (EMC). The conclusions are still excellent here on TR problems. Although, when the problem dimension rises (high number of Random Variables (RV)), the SC method reaches its limits and the efficiency decreases. Therefore a study on Sensitivity Analysis (SA) techniques has been carried out. Indeed, these methods emphasize the respective influences of the random variables of a model. Among the various quantitative or qualitative SA techniques the Morris method and the Sobol total sensivity indices have been adopted. Since only a split of the inputs (point out of the predominant RV) is expected, they bring results at a lesser cost. That is why a novel method is built, combining SA techniques and the SC method. In a first step, the model is reduced with SA techniques. Then, the shortened model in which only the prevailing inputs remain, allows the SC method to show once again its efficiency with a high accuracy. This global process has been validated facing Monte Carlo results on several analytical and numerical TR cases subjet to random variations.

La conception de lanceurs est un problème d’optimisation multidisciplinaire dont l’objectif est de trouverl’architecture du lanceur qui garantit une performance optimale tout en assurant un niveau de fiabilité requis.En vue de l’obtention de la solution optimale, les phases d’avant-projet sont cruciales pour le processus deconception et se caractérisent par la présence d’incertitudes dues aux phénomènes physiques impliqués etaux méconnaissances existantes sur les modèles employés. Cette thèse s’intéresse aux méthodes d’analyse et d’optimisation multidisciplinaire en présence d’incertitudes afin d’améliorer le processus de conception de lanceurs. Trois sujets complémentaires sont abordés. Tout d’abord, deux nouvelles formulations du problème de conception ont été proposées afin d’améliorer la prise en compte des interactions disciplinaires. Ensuite, deux nouvelles méthodes d’analyse de fiabilité, permettant de tenir compte d’incertitudes de natures variées, ont été proposées, impliquant des techniques d’échantillonnage préférentiel et des modèles de substitution. Enfin, une nouvelle technique de gestion des contraintes pour l’algorithme d’optimisation ”Covariance Matrix Adaptation - Evolutionary Strategy” a été développée, visant à assurer la faisabilité de la solution optimale. Les approches développées ont été comparées aux techniques proposées dans la littérature sur des cas tests d’analyse et de conception de lanceurs. Les résultats montrent que les approches proposées permettent d’améliorer l’efficacité du processus d’optimisation et la fiabilité de la solution obtenue. / Launch vehicle design is a Multidisciplinary Design Optimization problem whose objective is to find the launch vehicle architecture providing the optimal performance while ensuring the required reliability. In order to obtain an optimal solution, the early design phases are essential for the design process and are characterized by the presence of uncertainty due to the involved physical phenomena and the lack of knowledge on the used models. This thesis is focused on methodologies for multidisciplinary analysis and optimization under uncertainty for launch vehicle design. Three complementary topics are tackled. First, two new formulations have been developed in order to ensure adequate interdisciplinary coupling handling. Then, two new reliability techniques have been proposed in order to take into account the various natures of uncertainty, involving surrogate models and efficient sampling methods. Eventually, a new approach of constraint handling for optimization algorithm ”Covariance Matrix Adaptation - Evolutionary Strategy” has been developed to ensure the feasibility of the optimal solution. All the proposed methods have been compared to existing techniques in literature on analysis and design test cases of launch vehicles. The results illustrate that the proposed approaches allow the improvement of the efficiency of the design process and of the reliability of the found solution.

La compréhension de la répartition spatiale des sols et leur cartographie est un enjeu important tant les services écosystémiques rendus par les sols ont un rôle fondamental dans les enjeux agro-environnementaux actuels. A l’échelle nationale, les données pédologiques sont fournies via des cartographies au 1 :250 000 des types de sols (Référentiel Régional Pédologique, RRP) dont la résolution est devenue insuffisante pour répondre à ces enjeux. Placés dans un contexte de cartographie numérique des propriétés des sols à l’échelle régionale (Languedoc-Roussillon) caractérisé par une grande étendue (27 236 km²) et une faible densité de données sur les sols ( 1 observation/13.5 km2), les travaux de thèse ont eu pour objectif de réaliser une nouvelle infrastructure de données pédologiques régionale satisfaisant les spécifications édictées dans le projet international GlobalSoilMap et répondant aux besoins des utilisateurs de la région.Dans un premier temps, plusieurs approches connues de cartographie numérique des sols utilisant les diverses données pédologiques issues du RRP ont été appliquées et comparées entre elles. Les meilleurs résultats ont été obtenus par des approches de régression krigeage utilisant les profils avec analyses de sol existant dans le RRP. Pour le pH, le carbone organique et les variables de texture (argile, limon, sable) les performances de prédiction se sont avérés modérées mais suffisantes pour permettre la production de cartes informatives (R2 entre 0.2 et 0.7). En revanche les propriétés de sol avec une trop faible densité de profils et/ou variant sur des distances trop courtes (Eléments grossier, Profondeur, CEC) n’ont pu être prédites .Dans un deuxième temps, des méthodologies ont été proposées et testées pour mieux estimer les incertitudes de prédictions de propriétés de sol. Concernant les incertitudes locales, des progrès par rapport à l’utilisation de la régression krigeage ont été obtenus avec l’utilisation d’arbres de régression quantile. Ces incertitudes locales ont pu d’autre part être propagées dans les calculs d’indicateurs de sol caractérisant des entités géographiques de la région (exemple : commune). Enfin une troisième étape a été consacrée à la mise en production effective de la nouvelle infrastructure de données pédologique régionale permettant une diffusion des cartes obtenues dans cette thèse vers les utilisateurs.Les résultats de la thèse permettent de démontrer la faisabilité d’une approche de cartographie numérique des propriétés de sols à l’échelle régionale qui pourra être généralisée sur le territoire français. Bien que certains verrous méthodologiques restent à lever (ex : modèles de prédiction pour données censurées, covariable « lithologie »), la faible densité des observations pédologiques stockées actuellement en bases de données représente le facteur limitant majeur qui devra être levé dans l’avenir pour obtenir des cartes numériques de propriétés de sol à des précisions acceptables et incertitudes connues. / Depicting and mapping the soil variability is an important issue since the ecosystem services provided by soils play an important role in solving the current agro-environmental challenges. At the French national scale, the pedological data are currently provided by regional soil databases (« Référentiel Régionaux Pédologiques », RRP) at 1:250,000. However they provide soil information at a spatial resolution that is too coarse for addressing these challenges. This thesis undertakes a Digital Soil Mapping approach at the regional scale in a region (Languedoc-Roussillon) characterized by a great extent (27 236 km ²) and a low density of soil observations (1 observation/13.5 km2). The goal is to produce a new regional infrastructure of pedological data that could satisfy the specifications enacted in the international project GlobalSoilMap and that meets the needs of the local end-users. In a first step, several known approaches of digital soil mapping using the various pedological data available in the RRP were applied and compared. The best results were obtained by a regression-kriging approach using the legacy measured soil profiles of the RRP. For the pH, organic carbon and the variables of texture (clay, silt, sand) the performances of prediction were of moderate quality but sufficient to allow the production of informative maps (R2 between 0.2 and 0.7). Conversely the soil properties with a too low density of profiles and/or that varied within too short distances (coarse fragment, soil Depth, CEC) could not be predicted. In a second step, methodologies were proposed and tested for better estimating uncertainties of predictions of soil properties. Concerning local uncertainties, a progress compared to the use of Regression Kriging was obtained with the use of Quantile Regression Tree. These local uncertainties could in addition be propagated in calculations of soil indicators characterizing the geographical entities of the area (example: districts). Finally a third stage was devoted to the setting in effective production of the new regional infrastructure of pedological data, which allowed the diffusion of the maps obtained in this thesis towards the users. The results of the thesis demonstrate the feasibility of a digital soil mapping approach at the regional scale that could be generalized over the French territory. Although some methodological obstacles have to be addressed (ex: models of prediction for censored data, soil covariate “lithology”), the low density of the pedological observations currently stored in regional databases represents the major limiting factor, which will have to be addressed in the future to obtain digital maps of soil properties with acceptable and known precision.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des travaux menés par PSA Peugeot Citroën pour l’allègement de ses véhicules. Les optimisations masse multi-prestations réalisées sur le périmètre de la structure contribuent directement à cette démarche en recherchant une allocation d’épaisseurs de tôles à masse minimale qui respectent des spécifications physiques relatives à différentes prestations (choc, vibro-acoustique, etc.). Ces spécifications sont généralement évaluées à travers des modèles numériques à très haute-fidélité qui présentent des temps de restitution particulièrement élevés. Le recours à des fonctions de substitution, connues sous le nom de métamodèles, reste alors la seule alternative pour mener une étude d’optimisation tout en respectant les délais projet. Cependant la prestation qui nous intéresse, à savoir le choc frontal, présente quelques particularités (grande dimensionnalité, fortes non-linéarités, dispersions physique et numérique) qui rendent sa métamodélisation difficile.L’objectif de la thèse est alors de proposer une approche d’optimisation basée sur des métamodèles adaptatifs afin de dégager de nouveaux gains de masse. Cela passe par la prise en compte du choc frontal dont le caractère chaotique est exacerbé par la présence d’incertitudes. Nous proposons ainsi une méthode d’optimisation fiabiliste avec l’introduction de quantiles comme mesure de conservatisme. L’approche est basée sur des modèles de krigeage avec enrichissement adaptatif afin de réduire au mieux le nombre d’appels aux modèles éléments finis. Une application sur un véhicule complet permet de valider la méthode. / One of the most challenging tasks in modern engineering is that of keeping the cost of manufactured goods small. With the advent of computational design, prototyping for instance, a major source of expenses, is reduced to its bare essentials. In fact, through the use of high-fidelity models, engineers can predict the behaviors of the systems they design quite faithfully. To be fully realistic, such models must embed uncertainties that may affect the physical properties or operating conditions of the system. This PhD thesis deals with the constrained optimization of structures under uncertainties in the context of automotive design. The constraints are assessed through expensive finite element models. For practical purposes, such models are conveniently substituted by so-called surrogate models which stand as cheap and easy-to-evaluate proxies. In this PhD thesis, Gaussian process modeling and support vector machines are considered. Upon reviewing state-of-the-art techniques for optimization under uncertainties, we propose a novel formulation for reliability-based design optimization which relies on quantiles. The formal equivalence of this formulation with the traditional ones is proved. This approach is then coupled to surrogate modeling. Kriging is considered thanks to its built-in error estimate which makes it convenient to adaptive sampling strategies. Such an approach allows us to reduce the computational budget by running the true model only in regions that are of interest to optimization. We therefore propose a two-stage enrichment scheme. The first stage is aimed at globally reducing the Kriging epistemic uncertainty in the vicinity of the limit-state surface. The second one is performed within iterations of optimization so as to locally improve the quantile accuracy. The efficiency of this approach is demonstrated through comparison with benchmark results. An industrial application featuring a car under frontal impact is considered. The crash behavior of a car is indeed particularly affected by uncertainties. The proposed approach therefore allows us to find a reliable solution within a reduced number of calls to the true finite element model. For the extreme case where uncertainties trigger various crash scenarios of the car, it is proposed to rely on support vector machines for classification so as to predict the possible scenarios before metamodeling each of them separately.

Pour l'évaluation du risque inondation, l’emploi de modèles numériques 2D d’hydraulique à surface libre reposant sur la résolution des équations de Saint-Venant est courant. Ces modèles nécessitent entre autre la description de la topographie de la zone d’étude. Sur des secteurs urbains denses ou des sites industriels, cette topographie complexe peut être appréhendée de plus en plus finement via des technologies dédiées telles que le LiDAR et la photogrammétrie. Les Modèles Numériques d'Elévation Haute Résolution (HR MNE) générés à partir de ces technologies, deviennent employés dans les études d’évaluation du risque inondation. Cette thèse étudie les possibilités, les avantages et les limites, liées à l'intégration des données topographiques HR en modélisation 2D du risque inondation en milieux urbains et industriels. Des modélisations HR de scénarios d'inondation d'origines pluviale ou fluviale sont testés en utilisant des HR MNE crées à partir de données LiDAR et photo-interprétées. Des codes de calculs (Mike 21, Mike 21 FM, TELEMAC-2D, FullSWOF_2D) offrant des moyens différent d'intégration de la donnée HR et basés sur des méthodes numériques variées sont utilisés. La valeur ajoutée de l'intégration des éléments fins du sur-sol impactant les écoulements est démontrée. Des outils pour appréhender les incertitudes liées à l'emploi de ces données HR sont développés et une analyse globale de sensibilité est effectuée. Les cartes d'indices de sensibilité (Sobol) produites soulignent et quantifient l'importance des choix du modélisateur dans la variance des résultats des modèles d'inondation HR ainsi que la variabilité spatiale de l'impact des paramètres incertains testés. / High Resolution (infra-metric) topographic data, including LiDAR photo-interpreted datasets, are becoming commonly available at large range of spatial extent, such as municipality or industrial site scale. These datasets are promising for High-Resolution (HR) Digital Elevation Model (DEM) generation, allowing inclusion of fine aboveground structures that influence overland flow hydrodynamic in urban environment. DEMs are one key input data in Hydroinformatics to perform free surface hydraulic modelling using standard 2D Shallow Water Equations (SWEs) based numerical codes. Nonetheless, several categories of technical and numerical challenges arise from this type of data use with standard 2D SWEs numerical codes. Objective of this thesis is to tackle possibilities, advantages and limits of High-Resolution (HR) topographic data use within standard categories of 2D hydraulic numerical modelling tools for flood hazard assessment purpose. Concepts of HR topographic data and 2D SWE based numerical modelling are recalled. HR modelling is performed for : (i) intense runoff and (ii) river flood event using LiDAR and photo-interpreted datasets. Tests to encompass HR surface elevation data in standard modelling tools ranges from industrial site scale to a megacity district scale (Nice, France). Several standard 2D SWEs based codes are tested (Mike 21, Mike 21 FM, TELEMAC-2D, FullSWOF_2D). Tools and methods for assessing uncertainties aspects with 2D SWE based models are developed to perform a spatial Global Sensitivity Analysis related to HR topographic data use. Results show the importance of modeller choices regarding ways to integrate the HR topographic information in models.

La compréhension et la prédiction du comportement vibro-acoustique des systèmes légers bois du bâtiment constitue un enjeu scientifique d'actualité. En 2015 une étude montrait encore que presque la moitié de ces systèmes constructifs n'offrait pas satisfaction. Un modèle prédictif à l'échelle du bâtiment, en cours de normalisation, permet de prendre en compte la performance individuelle des différents systèmes séparatifs pour remonter à un niveau de performance globale. La difficulté scientifique réside alors dans l'évaluation de la performance individuelle associée à chaque conception admissible, dans un vaste ensemble de systèmes techniquement réalisables. Dans cette recherche, une méthodologie est proposée pour la construction de modèles numériques capables de prendre en compte, aux basses fréquences, la complexité et la diversité des systèmes bois constitués de multiples plaques, poutres, cavités acoustiques et matériaux poroélastiques. En accord avec les procédures d'évaluation normalisées, des modèles déterministes pour les excitations mécaniques du système sont construits. Une approche probabiliste est alors développée en réponse à la problématique des incertitudes liées à la construction légère. Ainsi, en résolvant un problème stochastique inverse utilisant des données expérimentales pour identifier les hyperparamètres de modèles probabilistes développés, il est possible de quantifier la propagation des incertitudes du système à la performance prédite en conditions de laboratoire. Par suite, des configurations optimales, robustes aux incertitudes, sont recherchées. Du fait de la nature combinatoire du problème d'optimisation, un algorithme génétique, particulièrement adapté à un espace de recherche discret ainsi qu'à l'optimisation multi-objectif, est mis en oeuvre. Dans les cas traités, les configurations optimales tendent vers une maximisation de la rigidité structurelle / Being able to understand and predict the vibroacoustic behavior of lightweight wood-based building systems contitute a serious scientific concern. In 2015, acoustic comfort investigation claims that unsatisfactions are expressed with respect to around 50% of such constructions. In particular, low frequency discomfort is target of criticism. A methodology was proposed, currently running through standardisation process, which translates the individual performance of the building systems into a global building performance index. The challenge consequently lies in the prediction of the individual performances in regard to the wide spread of wood based designs. In this research, a methodology is introduced for the construction of computational models able to handle the complexity and diversity of the systems, constituted of multiple boards, stiffeners, cavities and poroelastic media. Structural excitations of the system are constructed according to standard evaluation procedures. Then, a probabilistic approach is undertaken in order to take into account the uncertainty problematic, inherent to lightweight wood based constructions. In particular, stochastic inverse problems are constructed to identify, from experimental measurements, hyperparameters associated with ad hoc probabilistic models. Eventually, uncertainty quantification can be performed in regard to predicted performance in laboratory conditions. Following, robust optimal designs are sought in the presence of uncertainties. No continuous mapping from the search space of the configurations to the space of the fitness functions representative of the objective performance exists and derivatives cannot be defined. By way of consequence, the class of the evolutionnary algorithm, suited to discrete search spaces as well as multi-objective optimisation, is chosen. Considered optimisation problems displayed preferential directions of the genetic algorithm towards stiffest admissible designs

Les nouvelles attentes vis-à-vis des nouveaux trains à grande vitesse sont nombreuses: on les voudrait plus rapides, plus confortables, plus stables, tout en étant moins consommateur d'énergie, moins agressif vis-à-vis des voies, moins bruyants… Afin d'optimiser la conception de ces trains du futur, il est alors nécessaire de pouvoir se baser sur une connaissance précise de l'ensemble des conditions de circulations qu'ils sont susceptibles de rencontrer au cours de leur cycle de vie. Afin de relever ces défis, la simulation a un très grand rôle à jouer. Pour que la simulation puisse être utilisée dans des perspectives de conception, de certification et d'optimisation de la maintenance, elle doit alors être tout à fait représentative de l'ensemble des comportements physiques mis en jeu. Le modèle du train, du contact entre les roues et le rail, doivent ainsi être validés avec attention, et les simulations doivent être lancées sur des ensembles d'excitations qui sont réalistes et représentatifs de ces défauts de géométrie. En ce qui concerne la dynamique, la géométrie de la voie, et plus particulièrement les défauts de géométrie, représentent une des principales sources d'excitation du train, qui est un système mécanique fortement non linéaire. A partir de mesures de la géométrie d'un réseau ferroviaire, un paramétrage complet de la géométrie de la voie et de sa variabilité semblent alors nécessaires, afin d'analyser au mieux le lien entre la réponse dynamique du train et les propriétés physiques et statistiques de la géométrie de la voie. Dans ce contexte, une approche pertinente pour modéliser cette géométrie de la voie, est de la considérer comme un champ aléatoire multivarié, dont les propriétés sont a priori inconnues. En raison des interactions spécifiques entre le train et la voie, il s'avère que ce champ aléatoire n'est ni Gaussien ni stationnaire. Ce travail de thèse s'est alors particulièrement concentré sur le développement de méthodes numériques permettant l'identification en inverse, à partir de mesures expérimentales, de champs aléatoires non Gaussiens et non stationnaires. Le comportement du train étant très non linéaire, ainsi que très sensible vis-à-vis de la géométrie de la voie, la caractérisation du champ aléatoire correspondant aux défauts de géométrie doit être extrêmement fine, tant du point de vue fréquentiel que statistique. La dimension des espaces statistiques considérés est alors très importante. De ce fait, une attention toute particulière a été portée dans ces travaux aux méthodes de réduction statistique, ainsi qu'aux méthodes pouvant être généralisées à la très grande dimension. Une fois la variabilité de la géométrie de la voie caractérisée à partir de données expérimentales, elle doit ensuite être propagée au sein du modèle numérique ferroviaire. A cette fin, les propriétés mécaniques d'un modèle numérique de train à grande vitesse ont été identifiées à partir de mesures expérimentales. La réponse dynamique stochastique de ce train, soumis à un très grand nombre de conditions de circulation réalistes et représentatives générées à partir du modèle stochastique de la voie ferrée, a été ainsi évaluée. Enfin, afin d'illustrer les possibilités apportées par un tel couplage entre la variabilité de la géométrie de la voie et la réponse dynamique du train, ce travail de thèse aborde trois applications / High speed trains are currently meant to run faster and to carry heavier loads, while being less energy consuming and still ensuring the safety and comfort certification criteria. In order to optimize the conception of such innovative trains, a precise knowledge of the realm of possibilities of track conditions that the train is likely to be confronted to during its life cycle is necessary. Simulation has therefore a big to play in this context. However, to face these challenges, it has to be very representative of the physical behavior of the system. From a general point of view, a railway simulation can be seen as the dynamic response of a non-linear mechanical system, the train, which is excited by a complex multivariate spatial function, the track geometry. Therefore, the models of the train, of the wheel/rail contact forces have thus to be fully validated and the simulations have to be raised on sets of excitations that are realistic and representative of the track geometry. Based on experimental measurements, a complete parametrization of the track geometry and of its variability would be of great concern to analyze the complex link between the train dynamics and the physical and statistical properties of the track geometry. A good approach to characterize this variability is to model the track geometry as a multivariate random field, for which statistical properties are only known through a set of independent realizations. Due to the specific interactions between the train and the track, this random field is neither stationary nor Gaussian. In order to propagate the track geometry variability to the train response, methods to identify in inverse, from a finite set of experimental data, the statistical properties of non-stationary and non-Gaussian random fields were analyzed in this thesis. The train behavior being very non-linear and very sensitive to the track geometry, the random field has to be described very precisely from frequency and statistical points of view. As a result, the statistical dimension of this random field is very high. Hence, a particular attention is paid in this thesis to statistical reduction methods and to statistical identification methods that can be numerically applied to the high dimensional case. Once the track geometry variability has been characterized from experimental data, it has to be propagated through the model. To this end, a normalized multibody model of a high speed train, whose mechanical parameters have been carefully identified from experimental measurements, has been made run on sets of realistic and representative running conditions. The commercial software Vampire was used to solve these dynamic equations. At last, three applications are proposed to illustrate to what extent such a railway stochastic modeling opens new possibilities in terms of virtual certification, predictive maintenance and optimization of the railway system

Prospection de pétrole utilise un équipement appelé tube de forage pour forer le sol jusqu'au le niveau du réservoir. Cet équipement est une longue colonne rotative, composée par une série de tiges de forage interconnectées et les équipements auxiliaires. La dynamique de cette colonne est très complexe parce que dans des conditions opérationnelles normales, elle est soumise à des vibrations longitudinales, latérales et de torsion, qui présentent un couplage non linéaire. En outre, cette structure est soumise à effets de frottement et à des chocs dûs aux contacts mécaniques entre les paires tête de forage/sol et tube de forage/sol. Ce travail présente un modèle mécanique-mathématique pour analyser un tube de forage en configuration horizontale. Ce modèle utilise la théorie des poutres qui utilise l'inertie de rotation, la déformation de cisaillement et le couplage non linéaire entre les trois mécanismes de vibration. Les équations du modèle sont discrétisées par la méthode des éléments finis. Les incertitudes des paramètres du modèle d'interaction tête de forage/sol sont prises en compte par l'approche probabiliste paramétrique, et les distributions de probabilité des paramètres aléatoires sont construits par le principe du maximum d'entropie. Des simulations numériques sont réalisées afin de caractériser le comportement dynamique non linéaire de la structure, et en particulier, de l'outil de forage. Des phénomènes dynamiques non linéaires par nature, comme le slick-slip et le bit-bounce, sont observés dans les simulations, ainsi que les chocs. Une analyse spectrale montre étonnamment que les phénomènes slick-slip et bit-bounce résultent du mécanisme de vibration latérale, et ce phénomène de choc vient de la vibration de torsion. Cherchant à améliorer l'efficacité de l'opération de forage, un problème d'optimisation qui cherche à maximiser la vitesse de pénétration de la colonne dans le sol, sur ses limites structurelles, est proposé et résolu / Oil prospecting uses an equipment called drillstring to drill the soil until the reservoir level. This equipment is a long column under rotation, composed by a sequence of connected drill-pipes and auxiliary equipment. The dynamics of this column is very complex because, under normal operational conditions, it is subjected to longitudinal, lateral, and torsional vibrations, which presents a nonlinear coupling. Also, this structure is subjected to friction and shocks effects due to the mechanical contacts between the pairs drill-bit/soil and drill-pipes/borehole. This work presents a mechanical-mathematical model to analyze a drillstring in horizontal configuration. This model uses a beam theory which accounts rotatory inertia, shear deformation, and the nonlinear coupling between three mechanisms of vibration. The model equations are discretized using the finite element method. The uncertainties in bit-rock interaction model parameters are taken into account through a parametric probabilistic approach, and the random parameters probability distributions are constructed by means of maximum entropy principle. Numerical simulations are conducted in order to characterize the nonlinear dynamic behavior of the structure, specially, the drill-bit. Dynamical phenomena inherently nonlinear, such as slick-slip and bit-bounce, are observed in the simulations, as well as shocks. A spectral analysis shows, surprisingly, that slick-slip and bit-bounce phenomena result from the lateral vibration mechanism, and that shock phenomena comes from the torsional vibration. Seeking to increase the efficiency of the drilling process, an optimization problem that aims to maximize the rate of penetration of the column into the soil, respecting its structural limits, is proposed and solved

Les systèmes micro mécatroniques intègrent dans un volume très réduit des fonctions de natures différentes (électrique, mécanique, thermique, magnétique ou encore optique). Ces systèmes sont des produits finaux ou sont dans des systèmes de taille macroscopique. La tendance à la miniaturisation et à la complexité des fonctions à réaliser conduit à des microsystème en trois dimensions et constitué´es de composants provenant de processus de (micro)fabrication parfois incompatibles. L’assemblage microbotique est une réponse aux challenges de leur réalisation. Pour assurer les opérations d’ assemblage avec des précisions et des résolutions élevées, des capteurs adaptés au micro monde et des outils particuliers de manipulation doivent être utilisés. Les éléments principaux constituants les systèmes de micromanipulation sont les micro-actionneurs.Ces derniers sont souvent faits à base de matériaux actifs parmi lesquels les matériaux Piézoélectriques . Les actionneurs piézoélectriques sont caractérisés par leur très haute résolution (souvent nanométrique), leur grande bande-passante (plus du kHz pour certains micro-actionneurs) et leur grande densité de force. Tout ceci en fait des actionneurs particulièrement intéressants pour le micro-assemblage et la micromanipulation. Cependant,ces actionneurs présentent, en plus de leur comportement non-linéaire, une forte dépendance à l’environnement et aux tâches considérées. De plus, ces tâches de micromanipulation et de micro-assemblage sont confrontées à un manque de capteurs précis et compatibles avec les dimensions du micromonde. Ceci engendre des incertitudes sur les paramètres du élaboré lors de l’identification. En présence du verrou technologique lié à la réalisation des capteurs et des propriétés complexes des actionneurs, il est difficile d’obtenir les performances de haut niveau requises pour réussir les tâches de micromanipulation et de micro-assemblage. C’est notamment la mise au point d’outils de commande convenables qui permet d’atteindre les niveaux de précision et de résolution nécessaires.Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans ce cadre. Afin de réussir les tâches de micromanipulation et de micro-assemblage, plusieurs méthodes de commande prenant en compte des incertitudes liées au modèle, comme les approches de commande robustes de type H-inf ont déjà utilisées pour commander les actionneurs piézoélectriques.L’un des inconvénients majeurs de ces méthodes est la dérivation de régulateurs d’ordre élevé qui sont coûteux en calcul et peuvent difficilement être embarqués dans les microsystèmes. Afin de prendre en compte les incertitudes paramétriques des modèles des Systèmes à commander, nous proposons une solution alternative basée sur l’utilisation du calcul par intervalles. Ces techniques du calcul par intervalles sont combinées avec les outils de l’automatique pour modéliser et commander les microsystèmes. Nous chercherons également à montrer que l’utilisation de ces techniques permet d’associer la robustesse et la simplicité des correcteurs dérivés / Micromechatronic systems integrate in a very small volume functions with differentnatures. The trend towards miniaturization and complexity of functions to achieve leadsto 3-dimensional microsystems. These 3-dimensional systems are formed by microroboticassembly of various microfabricated and incompatible components. To achieve theassembly operations with high accuracy and high resolution, adapted sensors for themicroworld and special tools for the manipulation are required. The microactuators arethe main elements that constitute the micromanipulation systems. These actuators areoften based on smart materials, in particular piezoelectric materials. The piezoelectricmaterials are characterized by their high resolution (nanometric), large bandwidth (morethan kHz) and high force density. This why the piezoelectric actuators are widely usedin the micromanipulation and microassembly tasks. However, the behavior of the piezoelectricactuators is non-linear and very sensitive to the environment. Moreover, thedeveloppment of the micromanipulation and the microassembly tasks is limited by thelack of precise and compatible sensors with the microworld dimensions. In the presenceof the difficulties related to the sensors realization and the complex characteristics ofthe actuators, it is difficult to obtain the required performances for the micromanipulationand the microassembly tasks. For that, it is necessary to develop a specific controlapproach that achieves the wanted accuracy and resolution.The works in this thesis deal with this problematic. In order to success the micromanipulationand the microassembly tasks, robust control approaches such as H∞ havealready been tested to control the piezoelectric actuators. However, the main drawbacksof these methods is the derivation of high order controllers. In the case of embedded microsystems,these high order controllers are time consuming which limit their embeddingpossibilities. To address this problem, we propose in our work an alternative solutionto model and control the microsystems by combining the interval techniques with theautomatic tools. We will also seek to show that the use of these techniques allows toderive robust and low-order controllers.

Les études de scénarios d'un parc électronucléaire, ainsi que les études de sûreté, sont essentielles pour explorer les différentes stratégies du nucléaire du futur. Pour mener à bien ces études, il est nécessaire d'estimer le temps d'irradiation d'un combustible donné, ainsi que sa composition isotopique pendant la campagne de production d'électricité. Ces estimations reposent sur des simulations de réacteurs nucléaires, dont les calculs d'évolution doivent être les plus représentatifs possible. Les schémas de calcul classiquement utilisés s'effectuent en deux étapes : un calcul cellule pour résoudre l'équation du transport des neutrons (de type déterministe ou Monte Carlo) suivi d'un calcul cœur (déterministe). Le calcul cellule est une simulation d'évolution d'un assemblage dans des conditions infinies. À partir de ce calcul, des sections efficaces homogénéisées et condensées, ainsi que des grandeurs de diffusion, sont calculées comme données d'entrée pour l'étape suivante, celle du calcul cœur. Le calcul cellule est donc une étape fondamentale et celui-ci doit être le plus représentatif possible d'un assemblage du cœur. Or, les approximations à la base de ce modèle sont nombreuses, plus particulièrement les fuites neutroniques sont négligées. L'objectif de ce travail est d'étudier les effets physiques de fuites neutroniques et de quantifier les biais associés par rapport à une simulation infinie. Dans une première partie, la problématique des fuites neutroniques axiales est étudiée. Dans ce cas, les fuites de neutrons provoquent une variation forte du spectre neutronique localisée dans les derniers centimètres de l'assemblage ainsi qu'une variation plus faible mais globale sur l'ensemble de l'assemblage. Une deuxième partie est dédiée aux fuites radiales de neutrons. L'effet des assemblages voisins, ainsi que le comportement particulier des assemblages en position périphérique sont étudiés et les biais de composition en fin d'irradiation sont quantifiés. Un calcul d'évolution d'un réacteur très simplifié permet de visualiser, dans une dernière partie, l'ensemble des effets physiques observés et qui impactent l'évolution de l'irradiation. De nombreuses approximations du calcul cellule restent à explorer, comme le suivi de réactivité, par l'intermédiaire de la concentration du poison de neutrons thermiques solubilisé dans le modérateur ou présent dans le combustible. Cependant, la détermination des phénomènes physiques à prendre en compte pour le calcul cellule représente une première étape indispensable vers une amélioration de la représentativité du calcul cellule, voire conduire à des nouvelles méthodes de simulation d'un cœur du réacteur. À terme, les quantifications des biais liés aux fuites neutroniques serviront à estimer l'incertitude sur les compositions isotopiques du combustible en fin d'irradiation. Ces incertitudes, propagées dans les études de scénarios, permettront de quantifier le degré de validité des résultats obtenus. / Scenario studies of an electronuclear fleet, as well as safety studies, are essential to explore the different nuclear strategies of the future. To carry out these studies, it is necessary to estimate the irradiation time of a given fuel and its composition during the electricity production campaign. These estimates are based on the simulations of nuclear reactors, for which the calculations of the evolution must be as representative as possible. The calculation schemes usually used are divided into two stages: a cell calculation to solve the neutron transport equation (deterministic or Monte Carlo simulation) followed by a core calculation (deterministic code) The cell calculation is a simulation of the evolution of an assembly under infinite conditions. Based upon this calculation, homogenized and condensed cross-sections along with scattering quantities are calculated as input data for the next stage, the core calculation. The cell calculation is therefore a fundamental step and must be representative of a core assembly evolution as much as possible. However, the approximations used for this model are numerous, especially the neutron leakages are neglected. The objectives of this work is to study the physical effects of neutron leakage and to compute the associated biases compared to an infinite assembly simulation. In the first part, the problem of axial neutron leakage will be broached. In this case, neutron leakage causes a strong variation of the neutron spectrum in the last centimeters of the assembly as well as a smaller variation but over the entire assembly. The second part deals with the radial leakage. The effect of the neighboring assemblies and the particular behavior of the assemblies in the peripheral position are studied. Moreover, the isotopic composition biases at the end of the cycle are quantified. In the third and last part, a simplified calculation of the evolution of a reactor enables to visualize all the observed physical effects impacting the evolution of the irradiation. Several other approximations of the cell calculation are still to be investigated, such as the reactivity monitoring through the concentration of thermal neutron poison dissolved in the moderator or present in the fuel. Nonetheless, establishing of the physical phenomena taken into account for the cell calculation represents an essential first step towards an improvement of the cell calculation and may lead to new simulation methods for reactor cores. In the future, the quantification of the biases related to neutron leakage will be used to estimate the uncertainties on the isotopic composition of the fuel at the end of the cycle. These uncertainties, propagated into the scenarios studies, will assess the validity of the obtained results.