Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception des systèmes mécatroniques et porte, plus particulièrement, sur le dimensionnement de chaînes d'actionnement et les méthodes à mettre en œuvre pour satisfaire le cahier des charges et réduire au mieux le temps de développement. Afin de suivre l'évolution du marché et faire face à la concurrence croissante, les concepteurs ont eu recours au cycle de conception en Vet au prototypage virtuel. Pour réduire davantage la durée du processus de conception, la formulation du problème de conception sous la forme d'un problème inverse est une solution intéressante. Dans ce contexte, le laboratoire Ampère propose une méthodologie de dimensionnement par modèles bond graph inverses. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de cette méthodologie d'une part dans sa phase de vérification de l'adéquation des spécifications du cahier des charges à la structure retenue pour le modèle de conception et, d'autre part, par la prise en compte des tolérances dans le problème de conception. Pour la phase de vérification de l'adéquation spécifications/structure, le mémoire présente tout d'abord, l'analyse structurelle du cahier des charges qui permet de vérifier, avant toute simulation et à partir du modèle bond graph, si le problème de conception par modèle inverse est bien posé. Différents niveaux d'analyse sont supposés pour renforcer la démarche chronologique du travail de conception ou de reconception proposée par la méthodologie de dimensionnement. Ensuite, ces niveaux d'analyse sont mis à profit pour définir une procédure de vérification de l'adéquation des spécifications, définies sous forme de comportements type, au modèle de conception. En cas d'inadéquation, des recommandations pour la remise en question des spécifications ou de la structure du modèle de conception sont proposées et ce, selon le niveau d'analyse considéré. Au niveau de l'analyse numérique (le niveau d'analyse le plus bas), cette procédure peut être utilisée pour la synthèse paramétrique ou encore pour la synthèse de tolérance en cas de prise en compte des incertitudes dans le problème de conception. Concernant cet aspect, le mémoire présente également une contribution à la représentation des incertitudes paramétriques dans le formalisme bond graph, formalisme de base de la méthodologie de dimensionnement. Enfin, l'approche probabiliste est utilisée pour la modélisation des incertitudes dans la démarche de dimensionnement des systèmes dynamiques par inversion des modèles bond graph : les deux cas d'inversion, entrées/sorties d'une part (pour la remontée de spécifications), et paramètres/sorties d'autre part (pour la synthèse de tolérances paramétriques), sont abordés. Les règles d'exploitation d'un modèle bond graph probabiliste permettant la propagation des fonctions de densité de probabilité et des grandeurs caractéristiques(espérance et variance) tout le long de la structure énergétique du système sont proposées et illustrées par un exemple.

La modélisation des systèmes mécatroniques nécessite le même type de méthodologie pour la conception et le prototypage de dispositifs mécatroniques. Une ingénierie unifiée et intégrée doit être déployée. Diverses approches sont actuellement proposées pour atteindre de la modélisation multi-physique comme la théorie des graphes, les approches équationnelles ou les techniques. Dans ce contexte, l’objectif de nos travaux de recherche est la conception d'une méthodologie appliquée aux modèles dynamiques multi-physiques à topologie dynamique. Pour une telle contribution, il est nécessaire de partir d’une approche existante. Cette approche porte sur la modélisation topologique puisqu’elle est basée sur les collections topologiques et les transformations. Cette approche topologique est utilisée pour modéliser les systèmes mécatroniques.Son point fort est la séparation de la topologie (loi d'interconnexion) et la loi de comportement (physique) qui permet la simplification de la modélisation de systèmes complexes que l'on peut décrire comme un ensemble d'interactions locales entre entités élémentaires. La thèse propose donc une nouvelle méthodologie nommée 4Mo(DS)2 qui se rapporte à la modélisation multi-niveaux, multi-domaines et multi-physiques basée sur des systèmes dynamiques qui ont des structures dynamiques. Cette méthodologie permet la modélisation topologique des modèles dynamiques multi-physiques à topologie dynamique pendant la phase de conception tout en prenant en compte les modifications topologiques, le contrôle et commande ainsi que l’intégration de la dimension deux dans leur structure topologique. / Mechatronic systems modelling requires the same type of methodology for the design and prototyping of mechatronic devices. Unified and integrated engineering must be deployed. Various approaches are currently proposed to achieve multi-physics modeling such as graph theory, equational approaches or techniques. In this context, the objective of our research work is the design of a methodology applied to dynamic multi-physical models with dynamic topology. For such a contribution, it is necessary to start from an existing approach. This approach focuses on topological modelling since it is based on topological collections and transformations. This topological approach is used to model mechatronic systems.Its strong point is the separation of topology (interconnection law) and behavior law (physical) which allows the simplification of the modeling of complex systems that can be described as a set of local interactions between elementary entities. The thesis therefore proposes a new methodology named 4Mo(DS)2 which relates to multilevel, multi-physical and multi-domain modeling based on dynamic systems that have dynamic structures. This methodology allows the topological modeling of dynamic multi-physical dynamic topology models during the design phase while taking into account topological modifications, control and command as well as the integration of dimension two into their topological structure.

Les produits mécatroniques sont complexes et multidisciplinaires par nature. Les exigences pour les concevoir sont souvent contradictoires et doivent être validées par les différentes équipes d'ingénierie disciplinaire (ID). Pour répondre à cette complexité et réduire le temps de conception, les ingénieurs disciplinaires ont besoin de collaborer dynamiquement, de résoudre les conflits interdisciplinaires et de réutiliser les connaissances de projets antérieurs. De plus, ils ont besoin de collaborer en permanence avec l’équipe d’ingénierie systèmes (IS) pour avoir un accès direct aux exigences et l’équipe d’optimisation multidisciplinaire (OMD) pour valider le système dans sa globalité.Nous proposons d'utiliser des techniques de gestion des connaissances pour structurer les connaissances générées lors des activités de collaboration afin d'harmoniser le cycle de conception. Notre principale contribution est une approche d'unification qui explique comment IS, ID et OMD se complètent et peuvent être utilisés en synergie pour un cycle de conception intégré et continu. Notre méthodologie permet de centraliser les connaissances nécessaires à la collaboration et au suivi des exigences. Elle assure également la traçabilité des échanges entre les ingénieurs grâce à la théorie des graphes. Cette connaissance formalisée du processus de collaboration permet de définir automatiquement un problème OMD. / Mechatronic products are complex and multidisciplinary in nature. The requirements to design them are often contradictory and must be validated by the various disciplinary engineering (DE) teams. To address this complexity and reduce design time, disciplinary engineers need to collaborate dynamically, resolve interdisciplinary conflicts, and reuse knowledge from previous projects. In addition, they need to work seamlessly with the Systems Engineering (SE) team to have direct access to requirements and the Multidisciplinary Design Optimization (MDO) team for global validation. We propose to use Knowledge Management techniques to structure the knowledge generated during collaboration activities and harmonize the overall design cycle. Our primary contribution is a unification approach, elaborating how SE, DE, and MDO complement each-other and can be used in synergy for an integrated and continuous design cycle. Our methodology centralizes the product knowledge necessary for collaboration. It ensures traceability of the exchange between disciplinary engineers using graph theory. This formalized process knowledge facilitates MDO problem definition.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches présente tout d'abord au chapitre 1 une vue globale et synthétique de mes activités depuis ma prise de poste en septembre 1998. Le chapitre 2, « Bilan des activités depuis la prise de poste », détaille le contenu de ma recherche, de mon enseignement et des responsabilités administratives. Il tente de mettre en évidence les liens forts de mes activités de recherche à celles d'enseignement. Le chapitre 3, « Développement des activités de recherche », présente de manière approfondie et technique les principaux travaux de recherche menés durant cette période. Il montre comment ces travaux ont évolué progressivement d'un contexte « post doctoral » sur des sujets en continuité de celui de ma thèse de doctorat vers une volonté d'animer un axe de recherche en proposant de nouveaux sujets au sein du laboratoire. La transition s'est effectuée par l'appropriation de l'axe de recherche en question. Le chapitre 4, « Conclusion et perspectives », présente un bilan général de l'évolution de mes activités de recherche et les met en perspectives à travers un certain nombre de propositions que je souhaite développer à l'avenir. Enfin, trois annexes récapitulent mes productions scientifiques, ma participation à la communauté et mon activité contractuelle, et finalement les textes des productions jugées les plus significatives par rapport à mes activités de recherche. Cette dernière annexe est fournie dans un document séparé pour en faciliter sa lecture.