Rozprawy doktorskie na temat „Fiabilité des systèmes mécaniques”

Le comportement dynamique des systèmes mécaniques est crucial dans l'industrie pour éviter l'instabilité et les vibrations, assurant ainsi la fiabilité et la durabilité des équipements. La complexité et les incertitudes inhérentes rendent la modélisation précise difficile, mais intégrer ces incertitudes est essentiel pour renforcer la robustesse des systèmes. Des approches comme la simulation de Monte Carlo sont utilisées pour tenir compte de ces incertitudes, notamment dans des domaines spécifiques comme les transmissions par engrenage, où les paramètres incertains peuvent avoir un impact significatif sur le comportement dynamique. En résumé, comprendre et gérer les incertitudes dans la conception des systèmes mécaniques contribue à améliorer leur performance et leur fiabilité dans des environnements opérationnels variés.En outre, une compréhension approfondie des dynamiques mécaniques permet d'anticiper les zones de fragilité et de minimiser les risques de défaillance, ce qui est essentiel pour garantir la sécurité et la performance des équipements industriels. Les ingénieurs doivent adopter une approche proactive pour relever les défis liés à la conception de systèmes mécaniques fiables, en tenant compte des incertitudes liées à des facteurs tels que les forces de frottement, les raideurs des engrenages et les conditions environnementales changeantes. La modélisation stochastique, telle que la simulation de Monte Carlo, offre des outils précieux pour évaluer et atténuer les risques associés à ces incertitudes, assurant ainsi une conception plus robuste et une meilleure performance des systèmes mécaniques dans diverses conditions d'exploitation
The dynamic behavior of mechanical systems is crucial in industry to avoid instability and vibrations, ensuring the reliability and durability of equipment. The inherent complexity and uncertainties make precise modeling challenging, but incorporating these uncertainties is essential to strengthen system robustness. Approaches such as Monte Carlo simulation are used to account for these uncertainties, particularly in specific areas like gear transmissions, where uncertain parameters can significantly impact dynamic behavior. In summary, understanding and managing uncertainties in the design of mechanical systems contributes to improving their performance and reliability in various operational environments.Furthermore, a thorough understanding of mechanical dynamics allows anticipating weak areas and minimizing failure risks, essential for ensuring the safety and performance of industrial equipment. Engineers must take a proactive approach to address challenges in designing reliable mechanical systems, considering uncertainties related to factors such as friction forces, gear stiffness, and changing environmental conditions. Stochastic modeling, such as Monte Carlo simulation, provides valuable tools to assess and mitigate risks associated with these uncertainties, thereby ensuring more robust design and better performance of mechanical systems in diverse operating conditions

Cette thèse est consacrée à l'étude de sûreté de fonctionnement des systèmes mécaniques dynamiques actifs, en analysant leur comportement suite à des variations paramétriques liées à leurs incertitudes, et suite à des pannes d'actionneurs et de capteurs. Le chapitre 1 de cette thèse rappelle les principes d'évaluation de la fiabilité et des outils nécessaires pour le traitement des incertitudes par des approches probabilistes. Le chapitre 2 décrit le principe du contrôle actif, ainsi que les méthodes (LQG, LQR, LQE) utilisées pour la conception du régulateur et de l'observateur retenu. Ce contrôleur implémente un modèle réduit modal de la structure et ses caractéristiques de gain et de filtre resteront inchangées quelle que soit la variation des paramètres nominaux. Il est conçu pour le contrôle des vibrations d'une structure dont le nombre de modes de vibration est supérieur à celui considéré dans le contrôleur. La théorie correspondante est détaillée dans le chapitre 3. Dans le chapitre 4 et 5, on applique ces théories à un panneau en aluminium. L'importance de l'utilisation de la métode des plans d'expérience y est montrée. L'utilisation de la méthode permet également de définir un domaine d'étude ou le système reste stable quelle que soit la variation des paramètres. Cette méthode se présente comme une étape nécessaire pour le traitement des incertitudes paramétriques par des approches probabilistes (FORM/SORM) dans le cas des systèmes mécaniques adaptatifs. Le chapitre 6 est consacré à l'étude de l'influence des pannes de capteurs et d'actionneurs sur la performance et la stabilité du système contrôle. Ces travaux ont permis de faire la jonction entre les méthodes de conception des systèmes mécaniques actifs et l'approche probabiliste dans le cas des structures continues
This thesis concerns the dependability of active dynamical mechanical systems, analyses the behaviour of these systems after parametric variations due to their uncertainties and after actuator and sensor breakdowns. Chapter 1 addresses the principles of evaluation of reliability, and the tools needed for the treatment of parametric uncertainties by probabilistic approaches. Chapter 2 describes the principle of active control, as well as the methods (LQG, LQR, LQE) implemented in the regulator and observer design process. This controller implements a reduced modal of the structure and its gain and filter characteristics will remain unchanged while nominal parameters change. It is designed to control the vibrations of a structure, which number of vibration modes is higher than that considered within the controller. The corresponding theory is detailed in chapter 3. In the chapter 4 and 5, we apply those theories to an aluminium panel. The importance of using the design of experiments method was shown. Implementing this method also makes it possible to define a study field where the system will remain stable within the variation range of the parameters. This method proved to be a necessary step for the treatment of parametric uncertainties by probabilistic approaches (FORM/SORM) in the case of active mechanical systems. Chapter 6 addresses the study of the influence of sensor and actuator breakdowns on the performance and the stability of the controlled system. This work has permitted to connect design methods of active mechanical systems and probabilistic approaches in the case of continuous structures

Une démarche globale pour l'estimation et l'élaboration de la fiabilité de systèmes mécaniques aux différentes étapes de leur processus de conception est proposée. Elle repose sur une approche multidisciplinaire exploitant une représentation système, physique et probabiliste des scénarios de défaillance. Combinant leurs interprétations système sans physique et physique sans système, elle assure la construction de modèles de fiabilité à la fois physiques et systèmes. Plusieurs stratégies d'évaluation sont alors déployées. Utilisant les outils du couplage mécano-fiabiliste (e. G. Chaos polynomial, FORM/SORM), elles fournissent des mesures de fiabilité traditionnelles et permettent également la définition de chaînes de mesures d'importance originales. Celles-ci détaillent le poids et l'influence de chaque scénario et de chacun de leurs paramètres sur la réalisation des défaillances. L'optimisation de la conception est alors en partie assurée par l'analyse de fiabilité elle-même

Les projets d'Ingénierie Structurale doivent s’adapter aux critères de performance, de sécurité, de fonctionnalité, de durabilité et autres, établis dans la phase d’avant-projet. Traditionnellement, les projets utilisent des informations de nature déterministe comme les dimensions, les propriétés des matériaux et les charges externes. Toutefois, la modélisation des systèmes structuraux complexes implique le traitement des différents types et niveaux d'incertitudes. Dans ce sens, la prévision du comportement doit être préférablement faite en termes de probabilités puisque l'estimation de la probabilité de succès d'un certain critère est une nécessité primaire dans l’Ingénierie Structurale. Ainsi, la fiabilité est la probabilité rapportée à la parfaite opération d'un système structural donné durant un certain temps en des conditions normales d'opération pour trouver le meilleur compromis entre coût et sécurité pour l’élaboration des projets. Visant à pallier les désavantagés des méthodes traditionnelles FORM et SORM (First and Second Order Reliability Method), cette thèse propose une méthode d’analyse de fiabilité basée sur des techniques d’optimisation heuristiques (HBRM, Heuristic-based Reliability Method). Les méthodes heuristiques d’optimisation utilisées par cette méthode sont : Algorithmes Génétiques (Genetic Algorithms), Optimisation par Essaims Particulaires (Particle Swarm Optimisation) et Optimisation par Colonie de Fourmis (Ant Colony Optimization). La méthode HBRM ne requiert aucune estimation initiale de la solution et opère selon le principe de la recherche multi-directionnelle, sans besoin de calculer les dérivées partielles de la fonction d’état limite par rapport aux variables aléatoires. L’évaluation des fonctions d’état limite est réalisée en utilisant modèles analytiques, semi analytiques et numériques. Dans ce but, la mise en oeuvre de la méthode de Ritz (via MATLAB®), la méthode des éléments finis (via MATLAB® et ANSYS®) et la méthode sans maillage de Galerkin (Element-free Galerkin sous MATLAB®) a été nécessaire. La combinaison d’analyse de fiabilité, des méthodes d’optimisation et méthodes de modélisation, ci-dessus mentionnées, configure la méthodologie de conception fiabiliste proposée dans ce mémoire. L’utilisation de différentes méthodes de modélisation et d’optimisation a eu pour objectif de mettre en évidence leurs avantages et désavantages pour des applications spécifiques, ainsi pour démontrer l’applicabilité et la robustesse de la méthodologie de conception fiabiliste en utilisant ces techniques numériques. Ce qui a été possible grâce aux bons résultats trouvés dans la plupart des applications. Dans ce sens, des applications uni, bi et tridimensionnelles en statique, stabilité et dynamique des structures explorent l’évaluation explicite et implicite des fonctions d’état limite de plusieurs variables aléatoires. Procédures de validation déterministe et analyses stochastiques, et la méthode de perturbation de Muscolino, donnent les bases de l’analyse de fiabilité des applications en problèmes d’interaction fluide-structure bi et tridimensionnelles. La méthodologie est particulièrement appliquée à une structure industrielle. Résultats de applications uni et bidimensionnelles aux matériaux composites stratifiés, modélisés par la méthode EFG sont comparés avec les obtenus par éléments finis. A la fin de la thèse, une extension de la méthodologie à l’optimisation fiabiliste est proposée à travers la méthode des facteurs optimaux de sûreté. Pour cela, sont présentes des applications pour la minimisation du poids, en exigent un indice de fiabilité cible, aux systèmes modélisés par la méthode de EF et par la méthode EFG
Structural Engineering designs must be adapted to satisfy performance criteria such as safety, functionality, durability and so on, generally established in pre-design phase. Traditionally, engineering designs use deterministic information about dimensions, material properties and external loads. However, the structural behaviour of the complex models needs to take into account different kinds and levels of uncertainties. In this sense, this analysis has to be made preferably in terms of probabilities since the estimate the probability of failure is crucial in Structural Engineering. Hence, reliability is the probability related to the perfect operation of a structural system throughout its functional lifetime; considering normal operation conditions. A major interest of reliability analysis is to find the best compromise between cost and safety. Aiming to eliminate main difficulties of traditional reliability methods such as First and Second Order Reliability Method (FORM and SORM, respectively) this work proposes the so-called Heuristic-based Reliability Method (HBRM). The heuristic optimization techniques used in this method are: Genetic Algorithms, Particle Swarm Optimization and Ant Colony Optimization. The HBRM does not require initial guess of design solution because it’s based on multidirectional research. Moreover, HBRM doesn’t need to compute the partial derivatives of the limit state function with respect to the random variables. The evaluation of these functions is carried out using analytical, semi analytical and numerical models. To this purpose were carried out the following approaches: Ritz method (using MATLAB®), finite element method (through MATLAB® and ANSYS®) and Element-free Galerkin method (via MATLAB®). The combination of these reliability analyses, optimization procedures and modelling methods configures the design based reliability methodology proposed in this work. The previously cited numerical tools were used to evaluate its advantages and disadvantages for specific applications and to demonstrate the applicability and robustness of this alternative approach. Good agreement was observed between the results of bi and three-dimensional applications in statics, stability and dynamics. These numerical examples explore explicit and implicit multi limit state functions for several random variables. Deterministic validation and stochastic analyses lied to Muscolino perturbation method give the bases for reliability analysis in 2-D and 3-D fluidstructure interaction problems. This methodology is applied to an industrial structure lied to a modal synthesis. The results of laminated composite plates modelled by the EFG method are compared with their counterparts obtained by finite elements. Finally, an extension in reliability based design optimization is proposed using the optimal safety factors method. Therefore, numerical applications that perform weight minimization while taking into account a target reliability index using mesh-based and meshless models are proposed
Os projectos de Engenharia Estrutural devem se adaptar a critérios de desempenho, segurança, funcionalidade, durabilidade e outros, estabelecidos na fase de anteprojeto. Tradicionalmente, os projectos utilizam informações de natureza deterministica nas dimensões, propriedades dos materiais e carregamentos externos. No entanto, a modelagem de sistemas complexos implica o tratamento de diferentes tipos e níveis de incertezas. Neste sentido, a previsão do comportamento deve preferivelmente ser realizada em termos de probabilidades dado que a estimativa da probabilidade de sucesso de um critério é uma necessidade primária na Engenharia Estrutural. Assim, a confiabilidade é a probabilidade relacionada à perfeita operação de um sistema estrutural durante um determinado tempo em condições normais de operação. O principal objetivo desta análise é encontrar o melhor compromisso entre custo e segurança. Visando a paliar as principais desvantagens dos métodos tradicionais FORM e SORM (First and Second Order Reliability Method), esta tese propõe um método de análise de confiabilidade baseado em técnicas de optimização heurísticas denominado HBRM (Heuristic-based Reliability Method). Os métodos heurísticos de otimização utilizados por este método são: Algoritmos Genéticos (Genetic Algorithms), Optimização por Bandos Particulares (Particle Swarm Optimisation) e Optimização por Colónia de Formigas (Ant Colony Optimization). O método HBRM não requer de uma estimativa inicial da solução e opera de acordo com o princípio de busca multidirecional, sem efetuar o cálculo de derivadas parciais da função de estado limite em relação às variáveis aleatórias. A avaliação das funções de estado limite é realizada utilizando modelos analíticos, semi analíticos e numéricos. Com este fim, a implementação do método de Ritz (via MATLAB®), o método dos elementos terminados (via MATLAB® e ANSYS®) e o método sem malha de Galerkin (Element-free Galerkin via MATLAB®) foi necessária. A combinação da análise de confiabilidade, os métodos de optimização e métodos de modelagem, acima mencionados, configura a metodologia de projeto proposta nesta tese. A utilização de diferentes métodos de modelagem e de otimização teve por objetivo destacar as suas vantagens e desvantagens em aplicações específicas, assim como demonstrar a aplicabilidade e a robustez da metodologia de análise de confiabilidade utilizando estas técnicas numéricas. Isto foi possível graças aos bons resultados encontrados na maior parte das aplicações. As aplicações foram uni, bi e tridimensionais em estática, estabilidade e dinâmica de estruturas, as quais exploram a avaliação explícita e implícita de funções de estado limite de várias variáveis aleatórias. Procedimentos de validação déterministica e de análises estocásticas, aplicando o método de perturbação de Muscolino, fornecem as bases da análise de confiabilidade nas aplicações de problemas de iteração fluído-estrutura bi e tridimensionais. A metodologia é testada com uma estrutura industrial. Resultados de aplicações bidimensionais em estratificados compostos, modelados pelo método EFG são comparados com os obtidos por elementos finitos. No fim da tese, uma extensão da metodologia à optimização baseada em confiabilidade é proposta aplicando o método dos factores óptimos de segurança. Finalmente são apresentadas as aplicações para a minimização do peso em sistemas modelados pelo método de EF e o método EFG que exigem um índice de confiabilidade alvo

Ces dernières années, de nouveaux composants micro-ondes sont apparus : les micro­ commutateurs RF MEMS. Bien que ces composants soient encore absents des systèmes spatiaux, l'intérêt que leur porte l'industrie spatiale est grandissant car ils apparaissent comme une solution adéquate pour réduire le coût des missions et améliorer les performances tout en conservant l'intégrité de celles-ci (volume, masse, consommation). Cependant une problématique majeure de la technologie MEMS concerne leur fiabilité. Les travaux développés dans ce manuscrit visent à mettre en place des méthodes de caractérisation pour évaluer la fiabilité des microsystèmes, plus particulièrement des commutateurs MEMS. Le premier chapitre présente un état de l'art des mécanismes de défaillance identifiés dans les commutateurs à ce jour. Le deuxième chapitre expose les moyens expérimentaux et les techniques pour déterminer les propriétés des matériaux. On y étudie plus en détail la caractérisation par nanoindentation et les méthodes pour estimer les contraintes résiduelles. Le troisième chapitre est consacré à la conception, réalisation et caractérisation d'un commutateur. Le but est de saisir les enjeux technologiques de la chaîne de développement d'un composant MEMS pour obtenir un procédé fiable. Dans le quatrième chapitre, nous effectuerons l'étude de cas d'un commutateur dont le procédé de fabrication est déjà fiabilisé. Cette étude se fait à travers une approche combinant l'utilisation des outils de modélisation et d'expérimentation. - Nous évaluerons la fiabilité liée à l'utilisation du MEMS et à son environnement afin de l'améliorer en jouant sur l'étape de conception.

Le groupe Microsystèmes Silicium de l'Institut d'Électronique, de Microélectronique du Nord (IEMN - maintenant N=Nanotechnologie) a axé sa recherche sur les micro-actionneurs et leur environnement. Cela nous permet d'étudier des problématiques amont liées au micro-actionnement, à son interaction technologique, ainsi que des voies applicatives telles que les microsystèmes pour les télécommunications, la microrobotique, entre autres...
Dans la suite de cette introduction, quelques précisions sont données sur la terminologie de notre domaine de recherche, puis un bref historique retrace le développement de la recherche sur les microsystèmes dans le monde et en France.
Outre cette introduction, ce rapport se compose principalement de trois chapitres. Le premier, consacré aux micro-actionneurs, présente une partie des travaux effectués sur des études conceptuelles exploitant le potentiel de différents modes d'actionnement : transition de phase; électrostatique et thermique.
Le second chapitre décrit les activités de recherche effectuées dans le thème applicatif des microsystèmes pour les télécommunications. Il s'agit de travaux soutenus par de nombreux contrats de recherche nationaux ou européens. Deux composants en particulier ont été étudiés par trois doctorants. Emmanuel Quévy a étudié des résonateurs électromécaniques destinés à une application de filtrage dans la gamme intermédiaire de fréquence de la téléphonie mobile. Vincent Agache a étudié des résonateurs dont les fréquences propres se situent au voisinage du GHz. Les premières recherches effectuées à l'IEMN sur des microcommutateurs pour les signaux hyperfréquences sont également présentées
Le troisième chapitre est dédié aux résultats obtenus par Olivier Millet sur l'évolution de la raideur de microstructures soumises à un chargement cyclique. Il s'agit d'une partie de l'étude transversale des mécanismes de défaillance des microsystèmes destinée à la modélisation du phénomène de fatigue dans les microstructures.
Enfin, quelques perspectives de recherche impliquant les micro-actionneurs dans les microsystèmes seront présentées, suivies d'une conclusion

L'analyse des tolérances des mécanismes a pour but d'évaluer la qualité du produit lors de sa phase de conception. La technique consiste à déterminer si, dans une production de grandes séries, le taux de rebuts des mécanismes défaillants est acceptable. Deux conditions doivent être vérifiées: une condition d'assemblage et une condition fonctionnelle. La méthode existante se base sur le couplage de la simulation de Monte Carlo avec un algorithme d'optimisation qui est très couteuse en temps de calcul. L'objectif des travaux de thèse est de développer des méthodes plus efficaces basées sur des approches probabilistes. Dans un premier temps, il est proposé une linéarisation des équations non linéaires du modèle de comportement afin de simplifier l'étape faisant appel à l'algorithme d'optimisation. Une étude de l'impact de cette opération sur la qualité de la probabilité est menée. Afin de minimiser l'erreur d'approximation, deux procédures itératives pour traiter le problème d'assemblage sont proposées. Ils permettent de calculer la probabilité de défaillance d'assemblage de façon précise en un temps de calcul réduit. En outre, les travaux de thèse ont permis le développement d'une nouvelle méthode de résolution basée sur la méthode de fiabilité système FORM (First Order Reliability Method) système. Cette méthode permet de traiter uniquement le problème fonctionnel. Elle a nécessité la mise au point d'une nouvelle formulation du problème d'analyse des tolérances sous forme système. La formulation décompose le mécanisme hyperstatique en plusieurs configurations isostatiques, le but étant de considérer les configurations dominantes menant à une situation de défaillance. La méthode proposée permet un gain de temps considérable en permettant d'obtenir un résultat en quelques minutes, y compris pour atteindre des faibles probabilités
Tolerance analysis of mechanism aims at evaluating product quality during its design stage. Technique consists in computing a defect probability of mechanisms in large series production. An assembly condition and a functional condition are checked. Current method mixes a Monte Carlo simulation and an optimization algorithm which is too much time consuming. The objective of this thesis is to develop new efficient method based on probabilistic approach to deal with the tolerance analysis of overconstrained mechanism. First, a linearization procedure is proposed to simplify the optimization algorithm step. The impact of such a procedure on the probability accuracy is studied. To overcome this issue, iterative procedures are proposed to deal with the assembly problem. They enable to compute accurate defect probabilities in a reduced computing time. Besides, a new resolution method based on the system reliability method FORM (First Order Reliability Method) for systems was developed for the functional problem. In order to apply this method, a new system formulation of the tolerance analysis problem is elaborated. Formulation splits up the overconstrained mechanism into several isoconstrained configurations. The goal is to consider only the main configurations which lead to a failure situation. The proposed method greatly reduces the computing time allowing getting result within minutes. Low probabilities can also be reached and the order of magnitude does not influence the computing time

Les systemes de tensegrite sont des systemes innovants dans le domaine du genie civil. Leur esthetique est une source d'inspiration nouvelle pour les architectes. Ce sont des systemes reticules, spatiaux et en etat d'autocontrainte. La premiere partie du manuscrit consiste en une presentation des differentes phases de leur conception. La recherche de forme, notamment, definit les geometries particulieres permettant l'instauration d'un etat de sollicitation interne qui va rigidifier le systeme. La deuxieme partie est l'occasion d'exposer des methodes qui, pour une geometrie autocontrainte donnee, permettent de rechercher tous les etats d'autocontrainte qui respectent la rigidite unilaterale des cables. Ces etats conformes sont utilises pour mettre en etat d'autocontrainte l'ensemble de la structure. Leur influence sur le comportement est evaluee pour realiser un dimensionnement suivant les eurocodes. La troisieme partie est consacree a une etude de la sensibilite de ces systemes aux imprecisions de fabrication des elements. Elle est un prealable a l'etude plus precise de fiabilite qui amenera a completer les eurocodes pour des systemes innovants qui n'ont pas ete pris en compte dans les reglements. Enfin, une etude de la mise en autocontrainte des systemes est proposee. Elle permet de montrer que l'assemblage des systemes de tensegrite peut se faire dans une geometrie non-autocontrainte, avec seulement quelques cables actifs assurant la mise en tension.

Pour garantir la tenue en conditions clientèles, l’estimation de fiabilité est indispensable dans toutes les phases de développement des produits. Cette tâche peut s’avérer lente et coûteuse en l’absence d’une démarche optimisée, surtout dans un contexte où les produits sont divers. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans une démarche d’optimisation de la procédure d’estimation et de qualification de fiabilité lors des phases de développement de sous-ensembles mécaniques développés par la société FAURECIA. Pour disposer d’une estimation réaliste dès la phase de conception, la méthodologie proposée intègre le retour d’expérience (RETEX) existant sur des produits de référence dans l’estimation prévisionnelle de fiabilité de nouvelles conceptions, cette dernière étant traditionnellement réalisée via méthodes numériques mécano-fiabilistes. L’intégration du RETEX est réalisée par deux approches proposées. L’une utilisant un facteur de similitude entre fiabilité expérimentale et numérique, et l’autre utilisant une fonction de transfert temporel entre fiabilité expérimentale et numérique. La méthodologie proposée permet de construire une meilleure loi de fiabilité prévisionnelle, pour une nouvelle conception au plus tôt dans le processus de développement, avant même la phase de fabrication de prototypes. Ceci permet d’anticiper sur la performance du nouveau produit afin d’opérer des modifications si nécessaires, ou encore de construire ainsi une information a priori, qui sera ensuite importante dans une démarche d’optimisation de plan de qualification Bayésienne de la fiabilité du nouveau produit
In order to guarantee performance under customer conditions, reliability estimation is essential in all phases of product development. This task can be long and costly in the absence of an optimized approach, especially in a context where products are various. The work of this thesis is part of an optimization of the procedure of estimation and qualification of reliability during the development phases of mechanical subassemblies developed by FAURECIA company. To obtain a realistic estimate at the design phase, the proposed methodology incorporates the existing data (RETEX) on reference products in the predictive reliability estimation of new designs, the latter being traditionally carried out using numerical structural reliability methods. The integration of RETEX is performed by two proposed approaches. One using a similarity factor between experimental and numerical reliability, and the other using a time transfer function between experimental and numerical reliability. The proposed methodology allows building a better predictive reliability function, for a new design at the earliest stage of the development process, even before the prototype manufacturing phase. This makes it possible to anticipate the performance of the new product in order to make modifications if necessary, or to build prior information that will be important in a Bayesian reliability qualification plan optimization for the new product

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le projet NANOCOM. Le premier axe du projet NANOCOM est de développer une nouvelle approche pour la génération future de systèmes intelligents, en introduisant de diélectriques nano structurés dans les MEMS capacitifs pour améliorer la fiabilité par un ordre de grandeur. Le second axe est d'améliorer les performances thermiques du dispositif et d’augmenter la tenue en puissance. Le premier chapitre présente l’état de l’art sur les commutateurs MEMS RF fiables de puissance. L’intérêt des différentes configurations de commutateurs est exposé ainsi que la fiabilité des commutateurs est abordée. Le second chapitre présente une méthode de modélisation 3D multi-physique de MEMS RF pour simuler les performances mécaniques et hyperfréquences. Dans le troisième chapitre, toutes les étapes pour concevoir une nouvelle architecture de MEMS de puissance fiable sont décrites. Nous utilisons les logiciels de simulations 3D pour comparer les performances de différentes architectures proposées pour terminer par la simulation complète, la fabrication et à la mesure de l’architecture finale retenue
This thesis is part of the NANOCOM project. The first axis of project NANOCOM is to develop a new approach for the future generation of intelligent systems, by introducing a nanostructured dielectric into the capacitive MEMS to improve reliability by an order of magnitude. The second axis is to improve the thermal performances of the device and to increase the power handling. The first chapter presents the state of the art of reliable power RF MEMS switches. The purpose of the various configurations of switches is exposed as well as the reliability of the switches. The second chapter presents a 3D multi-physics modeling method for RF MEMS switches to simulate the mechanical performances and high frequencies behavior. In the third chapter, all the stages to conceive a new architecture of reliable power switches are described. We use the 3D simulations software to compare performances of various architectures, ending by a complete simulation, manufacturing and measurements of the final selected architecture

L ’intégration de systèmes mécaniques complexes soumis à des environnements vibratoirescontraignants nécessite de tenir compte, dès la conception, des sollicitations réelles d’usage.La thèse montre que l’environnement vibratoire ainsi que la durée d’exposition dépendent del’utilisation qui sera faite d’un système tout au long de son cycle de vie. L’ évaluation de sonl’utilisation repose sur l’ évolution conjointe du comportement des utilisateurs et du développementde la technologie du système.L’analyse de la sûreté de fonctionnement d’un système mécanique complexe a permis de considérerle système dans son ensemble et d’investiguer ainsi de fac¸on approfondie le comportementdynamique de composants critiques. La modélisation simple de systèmes mécaniques précisequalitativement et quantitativement les comportements dynamiques principaux et simule lessollicitations vibratoires auxquelles un composant critique identifié est soumis. Sur cette base, lamodélisation du comportement d’un composant mécanique permet d’ évaluer le dommage par fatiguequ’il subira. Cet indicateur apporte au concepteur une aide aux choix de la géométrie du composant.Enfin, l’environnement climatique ainsi que des impacts li ´es au fonctionnement interne du système,ont ´ et ´e pris en compte par la réalisation d’essais vibro-climatiques en fonctionnement. Ces étudesont été menées sur un système à pile à combustible intégré à un véhicule électrique à hydrogène.Elles ont permis de mettre au point un cheminement comme appui `a la conception des systèmesmécaniques complexes.Le cheminement pluridisciplinaire propos´e dans cette thèse repose donc sur l’interaction de travauxde recherche issus principalement des domaines de la sociologie, de la sûreté de fonctionnement etde la mécanique
The integration of complex mechanical systems subject to stringent vibration environments requiresconsideration of the real conditions of use from the beginning of the design phase.The thesis shows that the vibration environment and the duration of exposure to this environmentdepend on the use of the system throughout its life cycle. The evaluation of its use is based on thejoint evolution of both the user behavior and the system technology development.The dependability analysis of a complex mechanical system leads to consider the system as a wholeand thus to investigate in depth the dynamic behavior of critical components. A basic modeling ofthe mechanical system allows to qualitatively and quantitatively identify key dynamic behaviors anddetermines the vibration loads to which selected critical components are subjected. On this basis,modeling the behavior of a mechanical component leads to assess its fatigue damage. This indicatorhelps the designer in his choice of component geometry.Finally, the climatic environment as well as effects related to the internal functioning of the system,have been taken into account by performing vibro-climatic tests of on an operating systems, i.e. a fuelcell system integrated into a hydrogen electric vehicle. This helped to develop a procedure to supportthe design of complex mechanical systems

La modélisation des systèmes mécaniques consiste en l'idéalisation mathématique des phénomènes physiques qui les commandent, en reliant les variables d'entrée (paramètres géométriques, conditions de chargement...) aux variables de sortie (déplacements, contraintes...). Les méthodes probalistes, permettent de prendre en compte le caractère aléatoire et la variabilité spatiale et temporelle, dans l'évaluation de la réponse mécanique. L'application de ces méthodes en vue du dimensionnement nécessite de disposer d'un outil efficace permettant d'évaluer la fiabilité des structures concernées. Lorsque le comportement mécanique d'une structure est décrit par un modèle explicite, son étude fiabiliste est aisée grâce à un nombre important de méthodes qui ont montré leur efficacité. Par contre, lorsque la modélisation mécanique est numérique (méthode des éléments finis par exemple), une méthode permettant le couplage des modélisations mécanique et probabiliste doit être utilisée. Dans ce contexte, l'objet de cette thèse consiste à proposer une méthode probabiliste de la réponse d'un système mécanique avec des paramètres aléatoires. La technique proposée dans ce travail est basée sur le couplage des modèles éléments finis et de la méthode de transformation probabiliste, en vue de l'évaluation, sous forme analytique ou semi-analytique, de la fonction de densité de la réponse. Cette méthode est appliquée à différents types de problèmes en vue de démontrer ses avantages et ses limites

Les travaux de cette thèse permettent d’apporter de nouveaux outils d’aide à la conception d’un système mécatronique appliqué au monde automobile. Ces méthodologies s’inscrivent dans le cycle de vie du produit découpé selon les phases de Fiabilité : Prédictive, Expérimentale et Opérationnelle. Nous répondons aux trois problématiques : 1. Comment juger la criticité d’une défaillance obtenue lors d’un essai aggravé HALT ? Une approche par équivalence d’endommagement est utilisée et appliquée à un cas concret d’onduleur/convertisseur. 2. Comment tenir compte des variabilités du matériau et de l’environnement dans le modèle d’Arrhenius ? Trois modèles statistiques sont construits et appliqués à un capteur mécatronique en essai climatique. 3. A partir des données financières de coûts garantie, comment estimer la fiabilité du système ? Deux nouveaux modèles probabilistes sont présentés et appliqués à un cas réel de retour garantie
This research proposes new tools for designers of automotive mechatronic systems. These new methods are linked with the Product Life Cycle which can be described by: Predictive Reliability, Experimental Reliability and Operational Reliability. Three problematics are exposed : 1. How can we judge the severity of a failure observed in aggraved test HALT? An equivalent fatigue damage approach is used and realized on concrete case of converter/inverter. 2. How can we take into account the variability of the material and the environment in the Arrhenius’ model ? Three statistical models are built and used on a mechatronic sensor in climatic test. 3. Thanks Financial data of warranty cost, how can we estimate the system reliability performance ? Two new probabilistic models are introduced and applied on concrete warranty returns

Cette thèse présente un microrelais dédié à la commutation de signaux continus en environnement sévère. Il est composé d'un cantilever bilame Al/SiO2 et de contacteurs en or. Ce dispositif commute grâce à un actionnementà la fois électrostatique et électrothermique. Son intégration sur circuit intégré standard est rendue possible par l'utilisation d'un procédé de fabrication basse température. Une approche analytique complète décrivant le comportement du dispositif a été développée pour la phase de conception. Un courant est injecté à travers la couche métallique du bilame ce qui provoque une augmentation de température par effet Joule. Le chauffage et les différents coefficients de dilatation thermique des matériaux provoquent la déflexion du cantilever. L'actionnement thermique a été retenu car il permet d'effectuer des déplacements d'amplitude importante. De plus, comme l'actionnement électrostatique n'est intéressant que dans le cas d'un faible entrefer, l'actionnement électrothermique. Est complété par un actionnement électrostatique. Ceci permet d'obtenir une force suffisante au verrouillage du dispositif, améliorant du coup la fiablilité du contact.

Ce mémoire s'insère dans un axe de recherche portant sur les technologies microsystèmes à base de micro-usinage de surface, à partir desquelles des mécanismes de défaillances de dispositifs élémentaires ont été étudiés théoriquement et expérimentalement. Des bancs de test in situ en matériau polycristallin ont été conçus afin de découvrir et d'étudier les mécanismes d'endommagement dus à un actionnement cyclique. Le principe consiste à appliquer cycliquement une sollicitation élémentaire sur une structure élémentaire atin d'observer lévolution des propriétés mécaniques (raideur, résonance) en fonction du nombre d'opérations. Suite à une étude par éléments finis, les structures de test en polysilicium dopé in situ ou par diffusion et en or ont été fabriquées. Ces dernières ont été actionnés cycliquement et caractérisés périodiquement. Les résultats de caractérisation ont permis de comprendre le phénomène de fatigue pour des matériaux polycristallins. L'existence d'une relation entre la fréquencc de résonance de structures sollicitées en fIexion et le phénomène de fatigue a été aussi démontrée, permettant d'élaborer un modèle phénoménologique pour la prédiction du phénomène de fatigue avec une erreur de 20 % Par ailleurs, l'influence des conditions environnementales, du niveau de contraintes appliqué, l'inf1uence du recouvrement de marche, et la propagation d'une fissure dans le matériau structurel ont été analysées. Cette étude permet de mieux comprendre le phénomène de fatigue pour des matériaux polycristallins, et permettra de mettre en place de nouvelles règles de conception pour la fabrication de microdispositifs constitués d'éléments simples tels que des microcommutatcurs RF ou des résonateurs électromécaniques utilisés dans la téléphonie mobile. Certains mécanismes d'endommagement liés aux phénomènes non-linéaires en régime dynamique ont été modélisés. Cette étude s'est attachée à explorer les défàillances causées par les vibrntions extérieures et les chocs, et à proposer une solution pour contrer les vibrations extérieures pour un système embarqué. Dans une première étape le phénomène de 'snap-through' est abordé : une poutre biencastrée en flambement hors du plan faisant partie d'un système d'optique adaptative peut, sous l'effet de vibrations extérieures, s'effondrer et donc se coller. Pour chaque fréquence d'excitation, le modèle mis en place détermine la valeur minimale des amplitudes de vibrations extérieures induisant des instabilités dans le système; une validation préliminaire du modèle a été réalisée. Dans une seconde étape, la réponse dynamique d'une poutre bi-encastrée encapsulée dans un boîtier soumis à un choc est étudiée; le modèle établi détermine les conditions pré-choc (vitesse, accélération du boîtier) évitant la dégradation de la structure lors du choc. Enfin, une approche conceptuelle d'un système vibratoire adaptatif a été présentée. Une structure à protéger est fabriquée sur des couches piézo-électriques; celles-ci sont actionnées pour perturber la résonance mécanique de la structure à protéger lorsque des capteurs résonants détectent des vibrations extérieures dont la fréqucnce d'excitation est égale à la fréquence de résonance. Les choix de conception sont exposés dans le cas de la réalisation technologique et du systéme d'asservissement électronique (détection, alimentation des couches piézoélectriques); enfin, le procédé technologique a été mis en place; la phase de test reste à mettre en oeuvre.

La conception des ouvrages économiques a suscité de nombreux progrès dans les domaines de la modélisation et de l’optimisation, permettant l’analyse de structures de plus en plus complexes. Cependant, les conceptions optimisées sans considérer les incertitudes des paramètres, peuvent ne pas respecter certains critères de fiabilité. Pour assurer le bon fonctionnement de la structure, il est important de prendre en considération l’incertitude dès la phase de conception. Il existe plusieurs théories dans la littérature pour traiter les incertitudes. La théorie de la fiabilité des structures consiste à définir la probabilité de défaillance d’une structure par la probabilité que les conditions de bon fonctionnement ne soient pas respectées. On appelle cette étude l’analyse de la fiabilité. L’intégration de l’analyse de fiabilité dans les problèmes d’optimisation constitue une nouvelle discipline introduisant des critères de fiabilité dans la recherche de la configuration optimale des structures, c’est le domaine de l’optimisation fiabiliste (RBDO). Cette méthodologie de RBDO vise donc à considérer la propagation des incertitudes dans les performances mécaniques en s’appuyant sur une modélisation probabiliste des fluctuations des paramètres d’entrée. Dans ce cadre, ce travail de thèse porte sur l’analyse robuste et l’optimisation fiabiliste des problèmes mécaniques complexes. Il est important de tenir compte des paramètres incertains du système pour assurer une conception robuste. L’objectif de la méthode RBDO est de concevoir une structure afin d’établir un bon compromis entre le coût et l’assurance de fiabilité. Par conséquent, plusieurs méthodes, telles que la méthode hybride et la méthode optimum safety factor, ont été développées pour atteindre cet objectif. Pour remédier à la complexité des problèmes mécaniques complexes comportant des paramètres incertains, des méthodologies spécifiques à cette problématique, tel que les méthodes de méta-modélisation, ont été développées afin de bâtir un modèle de substitution mécanique, qui satisfait en même temps l’efficacité et la précision du modèle
The design of economic system leads to many advances in the fields of modeling and optimization, allowing the analysis of structures more and more complex. However, optimized designs can suffer from uncertain parameters that may not meet certain reliability criteria. To ensure the proper functioning of the structure, it is important to consider uncertainty study is called the reliability analysis. The integration of reliability analysis in optimization problems is a new discipline introducing reliability criteria in the search for the optimal configuration of structures, this is the domain of reliability optimization (RBDO). This RBDO methodology aims to consider the propagation of uncertainties in the mechanical performance by relying on a probabilistic modeling of input parameter fluctuations. In this context, this thesis focuses on a robust analysis and a reliability optimization of complex mechanical problems. It is important to consider the uncertain parameters of the system to ensure a robust design. The objective of the RBDO method is to design a structure in order to establish a good compromise between the cost and the reliability assurance. As a result, several methods, such as the hybrid method and the optimum safety factor method, have been developed to achieve this goal. To address the complexity of complex mechanical problems with uncertain parameters, methodologies specific to this issue, such as meta-modeling methods, have been developed to build a mechanical substitution model, which at the same time satisfies the efficiency and the precision of the model

Les travaux présentés dans cette thèse abordent la problématique de l'estimation de la fiabilité des systèmes qui est devenue un enjeu majeur pour les entreprises et ce dès les premières phases de développement. En effet, plus tôt les caractéristiques d'un produit ou d'un système sont appréhendées dans son cycle de vie et moins les risques ( financiers ou liés à la sécurité des installations ), dus à la non réalisation des performances attendues sont élevés. Dans un contexte exigeant des systèmes de plus en plus fiables et sûrs, et de durées de garanties croissantes, il est impératif de vérifier le plus rapidement possible que les performances des systèmes soient conformes au cahier des charges. La démarche idéale pour identifier la fiabilité d'un produit ou d'un système avant sa fabrication en série, est de procéder à des séries d'essais sur des prototypes, quand ils existent. Cette démarche nécessite un investissement trop important en temps en nombre de prototypes, car ces derniers étant de plus en plus fiables, l'observation de défaillances est de moins en moins probable .

Depuis plus de trente ans, la micro-électronique subit une évolution continue permettant de répondre à une demande croissante en terme de rapidité et de complexité des circuits intégrés. Cette évolution a été rendue possible grâce à la miniaturisation des composants, qui atteint aujourd'hui les limites physiques des matériaux utilisés en technologie CMOS. Parmi les nombreux problèmes et limitations liés à la réduction de la longueur de canal et de l'épaisseur de l'oxyde (effets de canal court, effets quantiques, déplétion de grille, claquage, quasi-claquage, SILC ¿), nous nous sommes centrés sur la structure PMOS (grille dopée bore), et en particulier sur la réduction de la pénétration du bore depuis la grille vers le substrat, responsable des instabilités de la tension de seuil, et sur l'amélioration de la fiabilité de l'isolant de grille ultra-mince, qui définit sa durée de vie. Un premier chapitre est consacré à une étude bibliographique portant sur les solutions technologiques actuelles répondant à ce problème, et il apparaît intéressant d'utiliser d'une part une grille déposée amorphe, et d'autre part d'introduire de l'azote à l'interface grille/oxyde. A partir de là, nous proposons une alternative technologique qui consiste à développer une grille de 200 nm d'épaisseur à base de silicium dopé azote (NIDOS) déposé amorphe à partir de disilane Si2H6 et d'ammoniac NH3. Un second chapitre concerne l'élaboration des films de NIDOS de 200nm, ainsi qu'à leur caractérisation électrique et mécanique. Nous montrons que la grille doit être composée d'une structure bi-couche comprenant 5nm de NIDOS et 195 nm de silicium afin de minimiser la résistivité totale de la grille. Dans un troisième chapitre, nous sommes intéressés au dopage bore par implantation ionique, et nous avons mis en évidence une forte réduction de la diffusion du bore dans les films de NIDOS. A partir de là, le NIDOS se présente comme une s olution intéressante afin de préserver l'intégrité de l'oxyde, et par là même la pénétration du bore dans le substrat. La fiabilité d'une structure capacitive polySi (P+)/NIDOS(5nm)/SiO2(4.5nm)/Si est étudiée dans un quatrième chapitre. Nous montrons électriquement d'une part le rôle de barrière à la diffusion du bore joué par le NIDOS et des résultats prometteurs en terme de tenue au claquage (Qbd=60C/cm_ à 0.1 A/cm_), et d'autre part des effets de déplétion de grille importants (>20%). Ce dernier point pourrait être amélioré en envisageant un recuit supplémentaire par RTP, ou bien en développant une grille dopée bore in-situ.

La connectique utilisée en automobile est soumise à des sollicitations vibratoires provoquant des micro-glissements répétitifs à l'origine d'importants endommagements électriques et mécaniques. Dans ce manuscrit, une nouvelle méthodologie d'analyse de ces phénomènes appelés fretting a été développée pour appréhender des conditions industrielles complexes. Cette étude a d'abord consisté à mettre en ouvre un simulateur expérimental des phénomènes micro-déplacements <10µm et d'évaluer leurs conséquences sur le contact. Ce simulateur a permis de déterminer l'amplitude minimum de fretting et de mettre en évidence les conditions de grippage. Aussi la transition entre le glissement partiel et le glissement total définit la transition entre une résistance électrique finie et une résistance électrique infinie. Parallèlement, des investigations ont été entreprises afin de caractériser l'influence des vibrations des câbles sur le comportement mécanique et électrique des connecteurs. En définitive, l'influence sur le fretting de la nature des matériaux, de la force de contact, de l'amplitude de vibration, du nombre de cycles de vibration, de la température et des câbles sur la dégradation des propriétés électriques du connecteur a été plus particulièrement étudiée
Connectors used in the automotive industry are subjected to vibrations that lead to repetitive micro-sliding and thus to significant electrical and mechanical damage. In our study, a new method to analyse this phenomenon, known as fretting, has been developed in order to understand complex practical conditions. Our study consisted initially in the implementation of an experimental simulator that creates micro-displacements (<10µm) in order to evaluate their consequences for the electrical contact. This simulator allows the minimum fretting amplitude and the seizing conditions to be determined. The transition between the partial slip and the gross slip defines the transition between a finite and an infinite electrical resistance. Experiments were also undertaken in parallel in order to characterize the influence of the vibrations of cables on the mechanical and electric behaviour of connectors. Finally, the influences of the state of the materials, the contact force, the vibration amplitude, the number of vibration cycles, the temperature and the cable on the fretting phenomenon and the subsequent deterioration of the electrical properties of the connector were examined

Cette thèse est constituée de deux parties distinctes. La première partie est consacrée à la stabilisation par feedback de systèmes bilinéaires dans le plan, en s'attachant à décrire le système boucle obtenu le plus précisément possible du point de vue du portrait de phase et de la vitesse de convergence. L'idée générale est d'adapter le principe du placement de kalman au cas des systèmes bilinéaires sous une hypothèse adéquate. On obtient un système homogène de degré un, de forme semblable à un système linéaire classique (de matrice constante), mais dont la matrice dépend de l'état. Le fait de fixer le spectre de cette matrice conduit à un feedback (fraction rationnelle) homogène de degré zéro. Quelque soit le spectre choisi (deux complexes conjugués ou deux réels) il y a une grande similitude du portrait de phase avec celui obtenu dans le cas linéaire au dédoublement près des directions propres dans le cas réel ; dans les deux cas on obtient une majoration uniforme exponentielle de la norme de l'état identique à celle du cas linéaire. Le même problème est également aborde en utilisant des feedbacks constants par secteur angulaire. La seconde partie est consacrée à la stabilisation, via un observateur pour donner une estimation de la vitesse, d'un manipulateur rigide
This thesis is constituted od two independent parts. The first part is devoted to the feedback stabilization of planar bilinear systems, with a precise description of the closed - loop system from both points of view of phase portrait and convergence rate. The main idea is to adapt the principle of Kalman'spoles assignement for linear systems, to bilinear case under an appropriate assumption. We get a homogeneous system of degree one, formally alike to a classical linear system (with a constant matrix), but whose matrix depends on the state. Fixing the spectrum of this matrix provides a homogeneous feedback of degree zero. Whatever the chosenfixed spectrum may be (two complex conjugate numbers, or two real numbers), we observe a strong similarity of the phase portrait with the one of linear system with the same spectrum, up to a "splitting into two" of the eigendirections for the real case ; in both cases, we get a uniform exponential overestimation of the state norm that is quite identical to the one of the linear case. Endly we deal with the same problem by use of feedbacks laws, that are constant on angular sectors. The second part is devoted to the stabilization, via an observer giving an estimate of the velocity, of a rigid manipulator

This manuscrit is a compact presentation of my research done between 1993 and 2008 and which concerns the global optimization of mechanical systems. General and specialized global optimization algorithms are presented. With respect to previously published work, an updated presentation of my work on composite optimization is given.

Cette thèse a pour but de caractériser l'influence quantitative et qualitative d'un environnement aléatoire stressant (EAS) sur la sûreté de fonctionnement des systèmes. Un EAS peut représenter des surtempératures, des surtensions, des vibrations,. . . - On définit la notion de mémoire et de sensibilité à l'EAS du composant et on propose un modèle de durée de vie d'un système cohérent à composants non réparables en EAS. On introduit un indicateur mesurant l'influence de l'EAS sur un système en fonction de sa configuration. Au sens de cet indicateur, on conjecture que plus un système est fiable, plus il est sensible à l'EAS. - On étudie le cas particulier d'un EAS ponctuel (EASP) où le processus d'arrivée des stress est un processus de Poisson homogène. Un EASP peut représenter des chocs de surtempératures, de surtensions. - Une étude statistique (plans d'essais, méthodes d'estimation, tests d'influence de l'EAS) est consacrée au modèle de durée de vie en EASP d'amplitudes constantes. Ce modèle est appliqué avec succès à des données de durées de vie de câbles électriques soumis à des chocs de surtensions simulés

Les systèmes informatiques envahissent notre vie quotidienne et sont devenus des éléments essentiels de chacun de nos instants de vie. La technologie de l'information est un secteur d'activités offrant des opportunités considérables pour l'innovation et cet aspect paraît sans limite. Cependant, des systèmes à logiciel intégré ont donné des résultats décevants. Selon les constats, ils étaient non fiables, parfois dangereux et ne fournissaient pas les résultats attendus. La faiblesse des pratiques de développement constitue la principale raison des échecs de ces systèmes. Ceci est dû à la complexité des logiciels modernes et au manque de connaissances adéquates et propres. Le développement logiciel fournit un cadre contribuant à simplifier la conception de systèmes complexes, afin d'en obtenir une meilleure compréhension et d'assurer une très grande qualité à un coût moindre. Dans les domaines de l'automatique, de la surveillance médicale, de l'avionique..., les systèmes embarqués hautement critiques sont candidats aux erreurs pouvant conduire à des conséquences graves en cas d'échecs. La thèse vise à résoudre ce problème, en fournissant un ensemble de techniques, d'outils et un cadre pour développer des systèmes hautement critiques, en utilisant des techniques formelles à partir de l'analyse des exigences jusqu'à la production automatique de code source, en considérant plusieurs niveaux intermédiaires. Elle est structurée en deux parties: d'une part des techniques et des outils et d'autre part des études de cas. La partie concernant des techniques et des outils présente une structure intégrant un animateur de modèles en temps-réel, un cadre de correction de modèles et le concept de charte de raffinement, un cadre de modélisation en vue de la certification, un modèle du coeur pour la modélisation en boucle fermée et des outils de générations automatiques de code. Ces cadres et outils sont utilisés pour développer les systèmes critiques à partir de l'analyse des exigences jusqu'à la production du code, en vérifiant et en validant les étapes intermédiaires en vue de fournir un modèle formel correct satisfaisant les propriétés souhaitées attendues au niveau le plus concret. L'introduction de nouveaux outils concourt à améliorer la vérification des propriétés souhaitées qui ne sont pas apparentes aux étapes initiales du développement du système. Nous évaluons les propositions faites au travers de cas d'études du domaine médical et du domaine des transports. De plus, le travail de cette thèse a étudié la représentation formelle des protocoles médicaux, afin d'améliorer les protocoles existants. Nous avons complètement formalisé un protocole réel d'interprétation des ECG, en vue d'analyser si la formalisation était conforme à certaines propriétés relevant du protocole. Le processus de vérification formelle a mis en évidence des anomalies dans les protocoles existants. Nous avons aussi découvert une structure hiérarchique pour une interprétation efficace permettant de découvrir un ensemble de conditions qui peuvent être utiles pour diagnostiquer des maladies particulières à un stade précoce. L'objectif principal du formalisme développé est de tester la correction et la consistance du protocole médical
Software systems are pervasive in all walks of our life and have become an essential part of our daily life. Information technology is one major area, which provides powerful and adaptable opportunities for innovation, and it seems boundless. However, systems developed using computer-based logic have produced disappointing results. According to stakeholders, they are unreliable, at times dangerous, and fail to provide the desired outcomes. Most significant reasons of system failures are the poor development practices for system development. This is due to the complex nature of modern software and lack of adequate and proper understanding. Software development provides a framework for simplifying the complex system to get a better understanding and to develop the higher fidelity quality systems at lower cost. Highly embedded critical systems, in areas such as automation, medical surveillance, avionics, etc., are susceptible to errors, which can lead to grave consequences in case of failures. This thesis intends to contribute to further the use of formal techniques for the development computing systems with high integrity. Specifically, it addresses that formal methods are not well integrated into established critical systems development processes by defining a new development life-cycle, and a set of associated techniques and tools to develop highly critical systems using formal techniques from requirements analysis to automatic source code generation using several intermediate layers with rigorous safety assessment approach. The approach has been realised using the Event-B formalism. This thesis has mainly two parts: techniques and tools and case studies. The techniques and tools section consists of development life-cycle methodology, a framework for real-time animator, refinement chart, a set of automatic code generation tools and formal logic based heart model for close loop modeling. New development methodology, and a set of associated techniques and tools are used for developing the critical systems from requirements analysis to code implementation, where verification and validation tasks are used as intermediate layers for providing a correct formal model with desired system behavior at the concrete level. Introducing new tools help to verify desired properties, which are hidden at the early stage of the system development. We also critically evaluate the proposed development methodology and developed techniques and tools through case studies in the medical and automotive domains. In addition, the thesis work tries to address the formal representation of medical protocols, which is useful for improving the existing medical protocols. We have fully formalised a real-world medical protocol (ECG interpretation) to analyse whether the formalisation complies with certain medically relevant protocol properties. The formal verification process has discovered a number of anomalies in the existing protocols. We have also discovered a hierarchical structure for the ECG interpretation efficiently that helps to find a set of conditions that can be very helpful to diagnose particular disease at the early stage. The main objective of the developed formalism is to test correctness and consistency of the medical protocol

Les systèmes informatiques envahissent notre vie quotidienne et sont devenus des éléments essentiels de chacun de nos instants de vie. La technologie de l'information est un secteur d'activités offrant des opportunités considérables pour l'innovation et cet aspect paraît sans limite. Cependant, des systèmes à logiciel intégré ont donné des résultats décevants. Selon les constats, ils étaient non fiables, parfois dangereux et ne fournissaient pas les résultats attendus. La faiblesse des pratiques de développement constitue la principale raison des échecs de ces systèmes. Ceci est dû à la complexité des logiciels modernes et au manque de connaissances adéquates et propres. Le développement logiciel fournit un cadre contribuant à simplifier la conception de systèmes complexes, afin d'en obtenir une meilleure compréhension et d'assurer une très grande qualité à un coût moindre. Dans les domaines de l'automatique, de la surveillance médicale, de l'avionique..., les systèmes embarqués hautement critiques sont candidats aux erreurs pouvant conduire à des conséquences graves en cas d'échecs. La thèse vise à résoudre ce problème, en fournissant un ensemble de techniques, d'outils et un cadre pour développer des systèmes hautement critiques, en utilisant des techniques formelles à partir de l'analyse des exigences jusqu'à la production automatique de code source, en considérant plusieurs niveaux intermédiaires. Elle est structurée en deux parties: d'une part des techniques et des outils et d'autre part des études de cas. La partie concernant des techniques et des outils présente une structure intégrant un animateur de modèles en temps-réel, un cadre de correction de modèles et le concept de charte de raffinement, un cadre de modélisation en vue de la certification, un modèle du coeur pour la modélisation en boucle fermée et des outils de générations automatiques de code. Ces cadres et outils sont utilisés pour développer les systèmes critiques à partir de l'analyse des exigences jusqu'à la production du code, en vérifiant et en validant les étapes intermédiaires en vue de fournir un modèle formel correct satisfaisant les propriétés souhaitées attendues au niveau le plus concret. L'introduction de nouveaux outils concourt à améliorer la vérification des propriétés souhaitées qui ne sont pas apparentes aux étapes initiales du développement du système. Nous évaluons les propositions faites au travers de cas d'études du domaine médical et du domaine des transports. De plus, le travail de cette thèse a étudié la représentation formelle des protocoles médicaux, afin d'améliorer les protocoles existants. Nous avons complètement formalisé un protocole réel d'interprétation des ECG, en vue d'analyser si la formalisation était conforme à certaines propriétés relevant du protocole. Le processus de vérification formelle a mis en évidence des anomalies dans les protocoles existants. Nous avons aussi découvert une structure hiérarchique pour une interprétation efficace permettant de découvrir un ensemble de conditions qui peuvent être utiles pour diagnostiquer des maladies particulières à un stade précoce. L'objectif principal du formalisme développé est de tester la correction et la consistance du protocole médical
Software systems are pervasive in all walks of our life and have become an essential part of our daily life. Information technology is one major area, which provides powerful and adaptable opportunities for innovation, and it seems boundless. However, systems developed using computer-based logic have produced disappointing results. According to stakeholders, they are unreliable, at times dangerous, and fail to provide the desired outcomes. Most significant reasons of system failures are the poor development practices for system development. This is due to the complex nature of modern software and lack of adequate and proper understanding. Software development provides a framework for simplifying the complex system to get a better understanding and to develop the higher fidelity quality systems at lower cost. Highly embedded critical systems, in areas such as automation, medical surveillance, avionics, etc., are susceptible to errors, which can lead to grave consequences in case of failures. This thesis intends to contribute to further the use of formal techniques for the development computing systems with high integrity. Specifically, it addresses that formal methods are not well integrated into established critical systems development processes by defining a new development life-cycle, and a set of associated techniques and tools to develop highly critical systems using formal techniques from requirements analysis to automatic source code generation using several intermediate layers with rigorous safety assessment approach. The approach has been realised using the Event-B formalism. This thesis has mainly two parts: techniques and tools and case studies. The techniques and tools section consists of development life-cycle methodology, a framework for real-time animator, refinement chart, a set of automatic code generation tools and formal logic based heart model for close loop modeling. New development methodology, and a set of associated techniques and tools are used for developing the critical systems from requirements analysis to code implementation, where verification and validation tasks are used as intermediate layers for providing a correct formal model with desired system behavior at the concrete level. Introducing new tools help to verify desired properties, which are hidden at the early stage of the system development. We also critically evaluate the proposed development methodology and developed techniques and tools through case studies in the medical and automotive domains. In addition, the thesis work tries to address the formal representation of medical protocols, which is useful for improving the existing medical protocols. We have fully formalised a real-world medical protocol (ECG interpretation) to analyse whether the formalisation complies with certain medically relevant protocol properties. The formal verification process has discovered a number of anomalies in the existing protocols. We have also discovered a hierarchical structure for the ECG interpretation efficiently that helps to find a set of conditions that can be very helpful to diagnose particular disease at the early stage. The main objective of the developed formalism is to test correctness and consistency of the medical protocol

Dans ce travail on s'interesse aux problemes de l'observation et de la commande des systemes mecaniques. Ce travail comporte essentiellement quatre parties. Dans la premiere partie, on s'interesse a la stabilisation des systemes mecaniques chariot-pendule et pont-roulant autour d'un point de fonctionnement ; la commande est basee sur la minimisation de l'energie totale du systeme (hamiltonien). Dans la deuxieme, nous donnons un observateur pour tout systeme mecanique sachant que toutes les positions sont mesurees. Dans le cas du pont-roulant, un des problemes techniquement mal resolu est celui du capteur d'angle et de la vitesse angulaire de la corde. Pour cela, on a construit un observateur, utilisant uniquement la mesure de la longueur de la corde et la position du chariot, permettant d'estimer: les vitesses de la corde et du chariot ainsi que la masse (suspendue a l'extremite de la corde), l'angle et la vitesse angulaire de la masse. Dans la troisieme partie, on etudie la stabilisation du systeme chariot-pendule et du systeme pont-roulant a l'aide d'un observateur (principe de separation). Enfin, la derniere partie a caractere theorique consiste a: caracteriser une classe de systemes non lineaires tels que s'ils sont stabilisables par retour d'etat, alors ils le sont par retour dynamique de sortie. Ce resultat s'applique aux systemes mecaniques ayant autant de commandes que de degres de liberte. Pour illustration, on a choisi un robot a trois degres de liberte. Caracteriser une classe de systemes partiellement linearisables tels que s'ils sont stabilisables par retour d'etat statique, alors ils le sont par retour d'etat dynamique

Le sujet de cette thèse de doctorat est l'étude de divers aspects liés à l'approche markovienne dans le cadre des études de fiabilité.

La première partie de cette thèse concerne Ia modélisation d'installations industrielles et la construction de la matrice de transition. Le but poursuivi est le développement d'un code markovien permettant une description réaliste et aisée du système. Le système est décrit en termes de composants multiétats :pompes, vannes .

La définition d'une série de règles types permet l'introduction de dépendances entre composants. Grâce à la modélisation standardisée du système, un algorithme permettant la construction automatique de la matrice de transition est développé. L'introduction d'opérations de maintenance ou d'information est également présentée.

La seconde partie s'intéresse aux techniques de réduction de la taille de la matrice, afin de rendre possible le traitement de grosses installations. En effet, le nombre d'états croit exponentiellement avec le nombre de composants, ce qui limite habituellement les installations analysables à une dizaine de composants. Les techniques classiques de réduction sont passées en revue :

accessibilité des états,

séparation des groupes de composants indépendants,

symétrie et agrégation exacte des états (cfr Papazoglou). Il faut adapter la notion de symétrie des composants en tenant compte des dépendances pouvant exister entre composants.

Une méthode d'agrégation approchée pour le calcul de la fiabilité et de la disponibilité de groupes de composants à deux états est développée.

La troisième partie de la thèse contient une approche originale pour l'utilisation de la méthode markovienne. Il s'agit du développement d'une technique de réduction basée sur le graphe d'influence des composants. Un graphe d'influence des composants est construit à partir des dépendances existant entre composants. Sur base de ce graphe, un système markovien non homogène est construit, décrivant de manière approchée le comportement du système exact. Les résultats obtenus sur divers exemples sont très bons.

Une quatrième partie de cette thèse s'intéresse aux problèmes numériques liés à l'intégration du système différentiel du problème markovien. Ces problèmes résultent principalement du caractère stiff du système. Différentes méthodes classiques sont implantées pour l'intégration du système différentiel. Elles sont testées sur un exemple type de problème de fiabilité.

Pour finir, on trouve la présentation du code CAMERA dans lequel ont été implantées les différentes techniques présentées ci-dessus.

Doctorat en sciences appliquées
info:eu-repo/semantics/nonPublished

La plupart des mécanismes sont lubrifiés par une huile, une graisse ou plus simplement de l'air. Dans tous ces mécanismes, des pièces sont en contact, frottent, dissipent de l'énergie voire s'endommagent. Or les exigences de plus en plus fortes en terme de réduction des coûts et des masses ainsi qu'en accroissement des performances (puissances transmises de plus en plus élevées) nécessitent une bonne connaissance des conditions de fonctionnement et de contact afin d'améliorer les composants en terme de durée de vie et de réduction des puissances dissipées. C'est pourquoi je me suis intéressé à l'étude, l'analyse et la compréhension des phénomènes de fatigue de contact et de dissipation d'énergie dans les mécanismes lubrifiés. Par ailleurs, j'ai toujours privilégié une démarche dans laquelle expérience et modélisation sont fortement couplés. En effet, dans toutes les actions que j'ai menées, l'outil expérimental, bien souvent dédié, est venu en amont de l'étude pour analyser et comprendre le phénomène. Puis le développement théorique utilisant des outils développés par ailleurs ou par nos soins, a permis de donner des modèles simples, robustes et efficaces. Ces derniers ont toujours été validés expérimentalement, soit sur des dispositifs " modèles ", soit sur des dispositifs " réels ". Ce mémoire s'intitule : " Analyse du comportement des systèmes mécaniques lubrifiés ". Il fait état des activités de recherche que j'ai développées depuis bientôt une quinzaine d'années. Deux axes majeurs et complémentaires sont présentés et mis en perspectives : - l'amélioration et l'optimisation des composants mécaniques lubrifiés et en particulier sur l'analyse de leur tenue en fatigue de contact initiée en surface, - l'analyse et la réduction des pertes de puissance dans les transmissions par engrenages.

Le travail de cette thèse consiste à étendre les méthodes d'optimisation multicritère à la conception des structures actives, et plus particulièrement à l'emplacement des capteurs et des actionneurs sur une structure mécanique. Les systèmes mécaniques adaptatifs font appel à des régulateurs LQG (Linear Quadratic Gaussien). Les principales matrices du contrôle optimal LQG, sont déterminées par minimisation d'un critère quadratique mais avec en plus des contraintes qui sont prises en compte au cours d'un processus itératif (exemple : l'utilisation des actionneurs au maximum de leurs possibilités conduit à modifier itérativement des rapports spécifiques des pondérations). Nous avons proposé une stratégie originale pour l'optimisation de la matrice de gain du régulateur, en tenant compte des contraintes sur la commande des actionneurs et sur les sorties. Puisqu'il s'agit d'un problème d'optimisation sous contrainte, nous avons choisi un algorithme de recherche de point-selles de type Uzawa. Le choix et le positionnement des actionneurs et des capteurs se fait en fonction bien sûr des objectifs à atteindre mais peut être guidé par quelques idées simples d'une base de connaissance. Nous avons développé une méthode de positionnement optimal des actionneurs basée sur l'approche logique floue. En effet, l'approche logique floue permet la prise en compte de connaissances expertes ainsi que l'introduction facile de règles expertes supplémentaires. Enfin, nous avons indiqué des pistes pour l'emplacement du premier capteur sur la structure active en se basant sur les normes énergétiques de perturbabilités et d'observabilités. Ces travaux ont été appliqués à l'étude d'un panneau en aluminium
The aim of this work is to extend multi-criterion optimisation methods to active structure design, and particularly to the placement of sensors and actuators on a mechanical structure. Adaptive mechanical systems use LQG regulators (Linear Quadratic Gaussien). The main matrices are determined by minimisation of a quadratic criterion and under consideration of some constraints that are used during the iterative process (ex: the use of actuators at the maximum of their possibilities leads to iteratively modify the specific ratio of weight factors). We propose an original strategy for the optimisation of the regulator gain matrix by considering constraints on the actuator control and outputs. Since the problem is an optimisation under constraints, UZAWA algorithm was used to the search of saddle-point. The choice and placement of actuators and sensors are of course made according to the fixed objectives, but it is also leaded by taking into account simple ideas given by an expert system knowledge. Fuzzy logic approach was used to optimise actuators placement. This approach allows the consideration of knowledge given by expert as well as the easy introduction of additional expert rules. Finally, ways to the first sensor placement on the active structure are shown using energetic standards for perturbability and observability. This work was applied to the study of an aluminium panel

Les Microsystèmes électro-mécaniques (souvent appelés MEMS) sont des produits issus d'une technologie actuellement en plein essort. L'influence de la technologie sur le développement de ces produits est fondamental. Une caractérisation des MEMS est donnée, dans le domaine des microproduits, après une analyse des applications et des procédés de fabrication (miniaturisés à partir des procédés de génie mécaniques, ou adaptés des procédés de l'ingénierie du silicium et de la microéléctronique). Cette caractérisation permet de proposer une description du processus de développement d'un MEMS tel qu'il a été observé dans l'industrie. Ce processus apparait comme séquentiel et fortement basé sur les connaissances technologiques des moyens de production. Certaines parties non optimales de ce processus sont soulignées. Des solutions d'améliorations, basées sur les modes de représentation et sur la gestion des connaissances scientifiques et d'ingénierie, sont proposées
Micro Electro-Mechanical Systems (so called MEMS) are products revelant of new emerging technologies. The influence of technology on the development of these microproducts is prominent. An analysis based on applications and manufacturing processes (manufacturing processes that can be reduction of typical mechanical engineering processes or adaptation of microelectronics VLSI processes) leads to a MEMS caracterisation in the field of microproducts. This caracterisation of the products fundamental features authorize an observation and a description of an actual industrial developpement process. The design process appears to be sequential and requires strong manufacturing knowledge at every time. Some steps of this design process have been found to be not optimized, namely the embodiment phase. Some solutions have been proposed regarding representation modes and knowledge management of both scientific and engineering knowledge objects

Dans cette étude nous nous sommes interessés a deux problèmes différents issus du milieu industriels dont le point commun est qu'ils font appel a des outils probabilistes. Le premier problème concerne la fiabilité des grands systèmes industriels. Nous nous proposons d'approcher la probabilité de défaillance d'un systéme dont les paramètres des lois de défaillance des composants sont connus avec une certaine incertitude. L'objectif est de tester les possibilités des méthodes form-sorm, issues de la fiabilité des structures mécaniques, par rapport aux techniques de simulation de monte-carlo qui présentent l'inconvénient du cout. Le deuxième problème concerne les méthodes d'approximation en dynamique stochastique. Il s'agit de définir un système linéaire susceptible d'approcher la dynamique d'un oscillateur non-lineaire excite par un bruit blanc. Apres une analyse detaillee de la methode de linearisation equivalente dont on montre les limites, nous avons construit une methode d'approximation basee sur la notion d'arma mecanique permettant une bonne approximation d'un spectre donne. Ce travail a abouti a un logiciel operationnel sous un environnement matlab. Puis, nous introduisons une nouvelle méthode basee sur des developpements asymptotiques a la freidlin-wentzell des systemes dynamiques soumis a de faibles perturbations aleatoires. Nous considérons en particulier l'oscillateur de duffing avec deux puits de potentiel symetriques. Nous obtenons un oscillateur equivalent a parametres aleatoires qui constitue une bonne approximation de la dynamique de l'oscillateur etudie

De façon à répondre à la demande émergente des industriels pour le développement de méthodes pouvant augmenter la fiabilité des systèmes radiofréquences (RF), je propose, dans le cadre de ma thèse, une méthodologie susceptible d'augmenter la fiabilité de tels circuits. Cette dernière se décompose en deux axes : - Méthodologie de test des cricuits RF : dans le but de détecter les défaillances d'un circuit RF, une surveillance des paramètres caractéristiques du circuit sous test est réalisée en fonctionnement grâce à un circuit d'auto-test qui ne perturbe pas les performances de ce dernier. - Méthodologie d'amélioration de la fiabilité : une redondance passive des éléments critiques, qui composent le circuit, est réalisée de manière à assurer le fonctionnement de celui-ci tout en minimisant sa surface et donc le coût du système global. Cette méthode est ensuite appliquée à deux amplificateurs à faible bruit, connu pour être un élément RF critique, ce qui démontre sa faisabilité et son efficacité.

L'objectif principal de cette thèse est l'étude de la fiabilité des cartes électroniques. Ces cartes sont utilisées dans plusieurs domaines, tels que l'industrie automobile, l'aéronautique, les télécommunications, le secteur médical, ..., etc. Elles assurent toutes les fonctions nécessaires au bon fonctionnement d'un système électronique. Les cartes électroniques subissent diverses sollicitations (mécaniques, électriques et thermiques) durant la manipulation et la mise en service. Ces sollicitations sont dues aux chutes, aux vibrations et aux variations de température. Elles peuvent causer la rupture des joints de brasage des composants électroniques. Cette rupture entraine la défaillance du système électronique complet. Les objectifs de ce travail sont: - Développer un modèle numérique pour la simulation du drop-test d'une carte électronique ; - Prédire la durée de vie en fatigue des joints de brasure en tenant compte des incertitudes des diverses variables ; - Développer une méthode d'optimisation fiabiliste pour déterminer la géométrie optimale qui assure un niveau cible de fiabilité d'une carte électronique ; - Application d'une nouvelle méthode hybride d'optimisation pour déterminer la géométrie optimale d'une carte électronique et d'un joint de brasure. Cette thèse a donné lieu à deux publications dans une revue indexée, et deux projets de publication et quatre communications dans des manifestations internationales.

Nous soutenons dans cette thèse l'idée que les problèmes de modélisation des systèmes sur lesquels butent les fiabilistes ne sont que les symptômes visibles d'une carence plus générale : l'absence de définition et de validation formelle des modèles. Pour résoudre le problème de la modélisation des systèmes bouclés dans les études de fiabilité, qui était a l'origine de la thèse, nous avons voulu montrer qu'il était pertinent : - de définir et valider formellement les modèles de ces systèmes, - de formaliser les changements de représentations opérées au cours des études, - de prendre en compte, en dernière étape, la sémantique donnée aux modèles par l'outil informatique utilisé. La logique formelle permet d'exprimer simplement des conditions nécessaires et suffisantes pour que les modèles aient de bonnes propriétés relativement à la déduction. Nous avons ainsi montré que les modèles, utilisés pour modéliser les systèmes à structure de graphe, sont incomplets des que la topologie du système étudié est bouclée. Nous avons aussi démontré que les diverses représentations du système, utilisées au cours d'une étude, héritent de l'incomplétude du modèle initial. Nous avons enfin exhibé une méthode de complétion de ces modèles. Outre l'analyse et la résolution du problème posé, l'étude formelle a permis : - de définir les axiomes de base de la représentation des systèmes étudiés, - de définir les liens formels entre les diverses représentations utilisées au cours des études de fiabilité. Ces deux résultats confèrent à cette thèse un domaine d'application qui s'étend à l'ensemble des ateliers logiciels dédiés aux études de fiabilité. La formalisation des modèles et des études qu'elle propose, constitue le travail de spécification d'un atelier logiciel dédié aux études de fiabilité.

Cette thèse étudie des ondes localisées pour certaines classes d'équations différentielles non linéaires décrivant des systèmes mécaniques excitables. Ces systèmes correspondent à une chaîne infinie de blocs reliés par des ressorts et qui glissent sur un surface en présence d'une force de frottement non linéaire dépendant de la vitesse. Nous analysons à la fois le modèle de Burridge-Knopoff (avec des blocs attachés à des ressorts tirés à une vitesse constante) et une chaîne de blocs libres glissant sur un plan incliné sous l'effet de la gravité. Pour une classe de fonctions de frottement non-monotones, ces deux systèmes présentent une réponse de grande amplitude à des perturbations au-dessus d'un certain seuil, ce qui constitue l'une des principales propriétés des systèmes excitables. Cette réponse provoque la propagation d'ondes solitaires ou des fronts, en fonction du modèle et des paramètres. Nous étudions ces ondes localisées numériquement et théoriquement pour une grande gamme de lois de frottement et des régimes de paramètres, ce qui conduit à l'analyse d'équations différentielles non linéaires avec avance et retard. Les phénomènes d'extinction de propagation et d'apparition d'oscillations sont également étudiés pour les ondes progressives. L'introduction d'une fonction de frottement linéaire par morceaux permet de construire explicitement des ondes localisées sous la forme d'intégrales oscillantes et d'analyser certaines de leurs propriétés telles que la forme et la vitesse d'ondes. Une preuve de l'existence d'ondes solitaires est obtenue pour le modèle de Burridge-Knopoff pour un couplage faible
This thesis analyses localized travelling waves for some classes of nonlinearlattice differential equations describing excitable mechanical systems. Thesesystems correspond to an infinite chain of blocks connected by springs and sliding on a surface in the presence of a nonlinear velocity-dependent friction force. We investigate both the Burridge-Knopoff model (with blocks attached to springs pulled at constant velocity) and a chain of free blocks sliding on an inclined plane under the effect of gravity. For a class of non-monotonic friction functions, both systems display a large response to perturbations above a threshold, one of the main properties of excitable systems. This response induces the propagation of either solitary waves orfronts, depending on the model and parameter regime. We study these localized waves numerically and theoretically for a broad range of friction laws and parameter regimes, which leads to the analysis of nonlinear advance-delay differential equations. Phenomena of propagation failure and oscillations of the travelling wave profile are also investigated. The introduction of a piecewise linear friction function allows one to construct localized waves explicitly in the form of oscillatory integrals and to analyse some of their properties such as shape and wave speed. An existence proof for solitary waves is obtained for the excitable Burridge-Knopoff model in the weak coupling regime

Elaboration de lois de commande en particulier pour la robotique. Utilisation de l'approche polynomiale pour placer des zeros de transmission a poles fixes. Cas des systemes non lineaires. Etude par topologie algebrique. Utilisation d'une approche par immersion et bouclage linearisant. Problemes de stabilite dans le cas de grands genres

Le but de ce travail est l'analyse et la commande d'un systeme mecanique simple de modele de corps rigide avec du jeu dynamique. Contrairement a la plupart des travaux existants dans la litterature de controle automatique nous traitons explicitement toutes les caracteristiques non-lineaires et non-lisses d'un systeme represente comme un systeme de corps rigide avec des contraintes unilaterales. Deux philosophies de commande pd differentes sont proposees pour controler le systeme. La regulation et la poursuite sont etudiees et leur performance en fonction des parametres physiques est comparee. Pour les deux schemas deux cas sont analyses : le cas colocated et le cas non-colocated. Afin d'elargir le basin d'attraction de l'orbite periodique desiree ou d'accelerer la vitesse de la convergence, l'utilisation d'une commande hybride en addition a la commande pd est proposee. Ce travail trouve des applications potentielles dans plusieurs domaines incluant la commande de chaines cinematiques avec du jeu dans les articulations et les systemes vibro-impactifs.

Mes travaux présentent l'application d'algorithmes théoriques modernes non linéaires pour commander quelques classes importantes de systèmes mécaniques sous-actionnés, qui sont les systèmes ayant plus de degrés de liberté que d'actionneurs. L'obtention des modèles et le développement des différentes lois de commande sont décrits pour les systèmes suivants : le pendule inversé, le système du transport d'une grue, le système du pendubot, le pendule rotationnel de Furuta, le pendule actionné par une roue inertielle, le système constitué de plusieurs bras reliés par des ressorts sur un plan horizontal, le robot manipulateur planaire possédant deux joints prismatiques et un joint de révolution. Pour chaque système, le modèle est obtenu en utilisant le formalisme d'Euler-Lagrange. Puisque l'utilisation des techniques standard de commande non linéaire ne sont pas toujours applicables pour de tels systèmes, il a été montré qu'une approche basée sur l'énergie et sur les propriétés de passivité de chaque système pouvait être appliquée pour établir l'algorithme de commande et ainsi résoudre le problème de stabilisation. L'approche a été basée sur la théorie de Lyapunov et l'analyse de la stabilité a été étudiée pour chaque système pour prouver la convergence de l'algorithme vers un ensemble invariant désiré. Des simulations et des applications réelles ont illustré la performance des algorithmes sur plusieurs plates-formes expérimentales. Des algorithmes de contrôle ont également été établis pour deux véhicules sous-motorisés : l'aéroglisseur et l'avion à décollage et atterrissage vertical. Différentes stratégies de commande basées sur la théorie de Lyapunov ont été proposées pour arrêter simplement le système de l'aéroglisseur ou bien le stabiliser à un endroit précis. Pour le PVTOL, la construction d'une fonction de Lyapunov a été établie et a donné lieu à une nouvelle loi de commande basée sur la technique du forwarding.

L'optimisation topologique est communément appliquée aux pièces mécaniques. En général, elle n'implique qu'une seule pièce dont les liaisons mécaniques sont supposées fixes. Cette thèse propose une autre approche de l'optimisation topologique où les liaisons sont des variables de conception, au même titre que la géométrie et la topologie de la forme de la pièce. On s'intéresse aux vis longues normalisées avec précontrainte de serrage. Le modèle de la vis est idéalisé, le but étant d'obtenir une représentation fonctionnelle, mais réaliste et peu coûteuse en termes de temps de calcul. Le modèle idéalisé est complété par des contraintes mécaniques spécifiques à la vis.Le problème consiste à optimiser simultanément la structure d'une pièce, d'une part, et les positions et le nombre de vis, d'autre part. La structure élastique est représentée par une fonction ligne de niveaux et elle est optimisée avec la méthode de variations de frontière d'Hadamard. Les positions sont optimisées avec un algorithme de descente de gradient paramétrique. Le concept de gradient topologique est adapté pour ajouter une petite vis idéalisée au meilleur emplacement avec une orientation optimale pour optimiser le nombre de vis. Cette optimisation couplée (structure et liaisons) est illustrée par des cas tests académiques 2d et 3d. Elle est ensuite appliquée à un cas test industriel simplifié. Le couplage fournit une pièce plus performante que l'optimisation de forme à liaisons fixées. Cette approche tend par conséquent à optimiser les systèmes assemblés
Topology optimization is commonly used for mechanical parts. It usually involves a single part and connections to other parts are assumed to be fixed. This thesis proposes an other approach of topology optimization in which connections are design variables, as well as the structure. We focus on standard long bolt with prestressed state. This connection model is idealized to be enough representative but computationally cheap. The idealized model is complemented with mechanical constraints specific to the bolt.The problem is to optimize concurrently the topology and the geometry of a structure, on the one hand, and the locations and the number of bolts, on the other hand. The elastic structure is represented by a level-set function and is optimized with Hadamard's boundary variation method. The locations are optimized using a parametric gradient-based algorithm. The concept of topological derivative is adapted to add a small idealized bolt at the best location with the optimal orientation, and thus optimizes the number of bolts. This coupled topology optimization (shape and connections) is illustrated with 2d and 3d academic test cases. It is then applied on a simplified industrial test case. The coupling provides more satisfactory performance of a part than shape optimization with fixed connections. The approach presented in this work is therefore one step closer to the optimization of assembled systems

L'etude s'inscrit dans la demarche de productique, au stade du predeveloppement du produit. Elle traite de l'approche de son comportement dynamique previsionnel afin de mener a bien les etapes fondamentales de la validation des idees et de l'optimisation des caracteristiques, definies au niveau des solutions d'avant-projets. Cette etude presente d'une part, une methodologie destinee a elaborer le modele mathematique servant de base a une simulation numerique du comportement et d'autre part, sa validation sur un systeme complexe. La methodologie vise a ordonner, hierarchiser et synthetiser la demarche a partir d'une approche systemique. Cette methodologie a servi de fil directeur a une recherche sur le comportement d'une suspension arriere de moto de supercross. La recherche a ete conduite jusqu'aux simulations numeriques d'un certain nombre de cas de figures. Une attention particuliere a ete portee sur le comportement du pilote et sur celui des pneumatiques qui ont fait l'objet d'approches experimentales en laboratoire. Les resultats obtenus ont ete interpretes pour modeliser les gestes sportifs du pilote et le comportement radial des pneumatiques lors de l'execution des sauts

Dans ce mémoire, une méthode subspace fitting (SF) destinée à l’identification des paramètres mécaniques et l’évaluation de l’état de santé de structures vibrantes, est présentée. La méthode SF s’attache à extraire, à partir des méthodes d’identification par sous-espaces (4SID), une matrice d’observabilité du système et de la corréler, au sens de la norme, à une matrice d’observabilité théorique. L’originalité de ce travail est de construire la matrice d’observabilité théorique sur la base d’un modèle éléments finis (EF) de la structure considérée. En ajustant les paramètres inconnus du modèle EF, les propriétés mécaniques de la structure vibrante sont identifiées. Les coûts de calcul d’une telle procédure sont réduits en considérant une méthode de réduction de modèle basée sur la position des excitations et des capteurs. La méthode est évaluée pour l’identification des fréquences propres d’une structure vibrante. Des applications numériques et expérimentales s’attachent à montrer la pertinence d’une telle approche. En particulier, il est mis en évidence que la méthode SF permet d’identifier précisément les fréquences propres d’une structure, pour des niveaux de bruit importants
In this thesis, a subspace fitting (SF) method is presented for the identification of mechanical parameters and assessment of the health condition of vibrating structures. The SF method attempts to extract, from subspace identification methods (4SID), a system observability matrix of the system and correlate them with a theoretical observability matrix. The originality of this work is to obtain the theoretical observability matrix from a finite element model (EF) of the structure. By adjusting unknown parameters of the FE model, the mechanical properties of the vibrating structure are identified. Computational costs of such a procedure are reduced by considering a model reduction method based on the excitations and sensors location. The method is evaluated for the identification of natural frequencies of a vibrating structure. Numerical and experimental applications are assessed to show the relevance of such an approach. In particular, it is highlighted that the SF method can accurately identify the natural frequencies of a structure to high noise levels

Determiner une loi de commande par retour d'etat permettant de stabiliser une classe de systemes mecaniques non holonomes est l'objet de cette these. L'interet particulier pour les systemes avec contraintes non holonomes s'explique par deux faits essentiels. D'une part, ces systemes trouvent de nombreuses applications dans le domaine industriel, et d'autre part ils presentent une singularite qui ne permet pas l'utilisation des methodes classiques de stabilisation. En effet, les systemes nonholonomes, bien que commandables, ne sont pas asymptotiquement stabilisables par retour d'etat continu stationnaire. C'est ainsi que de nombreuses strategies pour la stabilisation de ces systemes ont emmerge. On retrouve deux alternatives preponderantes: ? stabilisation par retour d'etat instationnaire (la variable temps apparait explicitement dans l'expression de la commande) ? stabilisation par retour d'etat discontinu. Tout d'abord, nous proposons une approche permettant de stabiliser de facon discontinue une classe de systemes non holonomes cinematiques ou dynamiques mis sous forme canonique. La convergence obtenue est exponentielle et l'approche proposee est basee sur la determination de varietes invariantes que l'on s'attache a rendre attractives. De nombreux exemples sont traites et la robustesse est analysee dans le cas du robot mobile. Ensuite, nous nous interessons a la stabilisation instationnaire d'un systeme, le couteau tranchant, n'ayant pas subi de transformation. Enfin, la stabilisation au moyen d'une commande basee sur le systeme echantillonne power form est proposee

Ce travail est une partie de l'étude amenant à la construction d'un modèle biomécanique représentant les membres inférieurs humains. Ce modèle est basé sur la méthode des éléments finis et est capable d'identifier les efforts exercés par la tête du fémur sur la hanche au cours de la marche. Le modèle utilise comme entrées les données cinématiques du mouvement ainsi que les réactions au sol. Le profil de ces efforts pourra servir aux médecins comme outils supplémentaires de dépistage de la coxarthrose. La difficulté d'implémentation et de validation d'un tel modèle nous a amené à investiguer des stratégies d'identification paramétrique sur des modèles dynamiques non linéaires présentés dans la littérature. Ainsi, les perturbations, comme par exemple les bruits sur les mesures des déplacements, ont été utilisées : l'une basée sur la minimisation du résidu dynamique et l'autre sur la minimisation de la différence entre les mesures et les résultats de la simulation.

Cette thèse traite du comportement des aciers inoxydables austénitiques aux températures cryogéniques. La transformation de phase et l'endommagement, induits par déformation plastique, sont pris en compte dans un modèle élasto-plastique. La cinétique de transformation y (vers) alpha' ainsi que les lois d'évolution de l'écrouissage mixte sont établies. Plusieurs modèles d'endommagement sont discutés : un modèle mésoscopique isotrope ou orthotrope et une approche microscopique. Les paramètres matériau ont été mesurés à partir de fines éprouvettes en 316L à trois températures : 293K, 77K et 4. 2K. Le modèle est appliqué aux coques minces ondulées, utilisées dans les interconnexions du LHC. L'influence sur la stabilité des propriétés matériau est étudiée par une analyse modale. La fiabilité des composants, définie par la fonction de distribution de Weibull, est étudiée à partir de tests de fatigue. L'impact sur la fiabilité des imperfections géométriques et du changement thermo-mécanique est analysé

La protection de l'environnoment conduit à envisager de réduire la teneur en oxyde de plomb dans le cristal dans les pays de l'Union Européenne. Le remplacement de l'oxyde de plomb par d'autres oxydes a des conséquences sur les propriétés physiques et mécaniques du matériau. C'est ainsi que le coefficient de dilatation et de la résistance à la rupture vont être modifiés. L'augmentation du coefficient de dilatation thermique accroît les risques de choc thermique lors de toute opération de lavage à l'eau chaude. Le cristal est un matériaux fragile qui peur devenir très sensible sous l'effet d'un choc thermique à cause de sa faible valeur de conductivité thermique. Les contraintes dues à un choc thermique peuvent devenir suffisamment élevées pour dépasser la valeur de la résistance à la rupture.

La premiere etape de la methode a permis d'etudier d'une part le systeme et son environnement et d'autre part les differents types de defaillances survenues et les differents types d'erreurs contenues dans le logiciel. La quasi proportionnalite entre nombre d'erreurs contenues dans un composant et volume de ce composant (resultat obtenu dans plusieurs publications recentes) est confirmee. La seconde etape de la methode consiste a realiser un pre-traitement des donnees collectees, puis a appliquer certains modeles de fiabilite du logiciel. Le pre-traitement des donnees a mis en evidence differentes tendances dans les donnees collectees. On a pu remarquer notamment une constance de fiabilite durant une longue periode pour terminer avec une tres forte croissance intervenant durant le debut de la vie operationnelle du logiciel. Plusieurs modeles de croissance de fiabilite ont ete appliques ; parmi eux, le modele hyperexponentiel a ete utilise pour estimer les taux de defaillance en vie operationnnelle du logiciel global et selon les differents modes de defaillances. Une verification de coherence d'un modele structurel a enfin ete realisee

L'utilisation généralisée des réseaux IP pour les télécommunications entraîne de nouvelles préoccupations quant à leurs fiabilités. L'apparition d'incidents affectant le réseau et perturbant l'acheminement des communications aux utilisateurs ne peut pas toujours être évitée. Des mécanismes de rétablissement réseau sont alors utilisés pour rediriger les communications vers une partie du réseau non affectée par l'incident. L'enjeu de cette opération est qu'elle soit réalisée suffisamment rapidement pour maintenir la bonne délivrance des services réseau aux utilisateurs. Dans cette thèse, nous avons étudié un mécanisme de rétablissement réseau basé sur le routage pair-à-pair. Ce système a pour avantage de pouvoir être utilisé pour le rétablissement de n'importe quel type de communication IP et de ne pas dépendre de l'infrastructure du réseau. De plus, il permet la protection de bout en bout d'une communication. Enfin, ce mécanisme est déployé par les utilisateurs des réseaux, ce qui permet d'adapter son fonctionnement à leurs besoins de fiabilité spécifiques à chacune de leurs communications. Nous montrons que notre système permet le rétablissement rapide des communications si les besoins de l'utilisateur le justifient. De plus les ressources nécessaires à son fonctionnement sont modérées et en rapport avec ces besoins. Nous pensons que notre système permet une amélioration significative de la fiabilité des communications lorsqu'un incident se déclare dans le réseau, en particulier si les mécanismes de rétablissement déployés par les réseaux des opérateurs ne permettent pas d'apporter le niveau de fiabilité recherché
The extended use of IP networks for telecommunication leads to new dependability concerns. Incidents, which hit the network and disturb communications delivery to users, cannot be always prevented. Network recovery mechanisms are used to redirect communications to a non-failing part of the network. This process goal is to be fast enough to keep good delivery of network services to users. In this thesis, we studied a new kind of recovery mechanism based on peer-to-peer routing (also called overlay routing). This system's advantages are that it can be used to recover any kind of IP communications, and to not depend on the network infrastructure. It also allows an end-to-end protection of a communication. Finally, this mechanism is deployed by network users, and thus can be adapted to the dependability needs for each of their communications. We show that our system allows fast communication recovery if users need it. Moreover, its resources consumption are moderated and related to users needs. We think that our system can significantly improve communications dependability when incidents hit the network, particularly if recovery mechanisms deployed by network operators cannot bring the dependability level pursued by a user

Dans cette thèse nous étudions, d'une part, la poursuite de trajectoires pour des systèmes mécaniques soumis à des contraintes unilatérales sans frottement. L'analyse de stabilité prend en compte le caractère hybride et discontinu de la dynamique de ces systèmes. Les différences qu'il y a entre la poursuite de trajectoires pour des systèmes contraints ou non, sont expliquées en termes de trajectoires de références et de signaux de contrôles. Ce travail présente les conditions de stabilité des contrôleurs proposés. Il est montré que la conception des phases de transitions est un point clef dans l'analyse de stabilité. La robustesse de ces lois est étudiée sur quelques simulations numériques. Finalement nous présentons quelques extensions possibles de ce contrôleur aux impacts multiples. La seconde partie de ce travail traite du double impact d'un bipède avec le sol. Nous déterminons quelles sont les conditions nécessaires pour avoir une marche en double support.

Dans ce manuscrit, nous présentons d'abord le bloc de construction moléculaire ultime pour les dispositifs de spintronique, les aimants à molécule unique (Chapitre 2). En particulier, nous nous concentrerons sur une molecule de TbPc2 et différentes approches pour sonder son aimantation à l'aide de détecteurs a base de nanotubes de carbone et de mécanismes de couplage différents (flux magnétique, couplage électronique et mécanique). Dans le but de construire un detecteur de torque supramoléculaire capable de sonder le moment magnétique d'un aimant moléculaire, nous allons décrire dans le chapitre 3 un candidat très prometteur, un système nanoélectromécanique (NEMS) à base d'un nanotube de carbone. Nous décrirons d'abord les avantages de NEMS à base de carbone par rapport aux résonateurs classiques à base de silicium. Par la suite, nous présenterons l'état de l'art des NEMS à base de nanotubes de carbone, en nous focalisant en particulier sur deux différents mouvements nanomécaniques, un mode de flexion transverse et un mode de compression longitudinal. Dans le chapitre 4, nous présenterons la mise en oeuvre expérimentale d'un detecteur de torque supramoléculaire basé sur NEMS à nanotubes de carbone et des aimants à molécule unique. Nous décrirons d'abord le processus de fabrication ultra propre et les étapes de la caractérisation d'un NEMS à nanotubes de carbone à températures ambiante et cryogénique. Nous allons ensuite démontrer un procédé de greffage d'une molécule aimants de TbPc2 sur un tel NEMS à nanotube de carbone, qui conserve à la fois les propriétés magnétiques de la molécule et les propriétés mécaniques du résonateur. Dans le chapitre 5, nous allons ensuite procéder à une étude systématique du mode de flexion transverse dans un NEMS à nanotube de carbone. Nous montrerons, que la dissipation de ce mode de vibration induit par l'effet tunnel d'électron unique à travers le nanotube de carbone (considére comme point quantique) dépend essentiellement de l'environnement électronique du nanotube, c'est à dire de la capacité, du couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes métalliqes, du courant et de la température. Les résultats indiquent que l'on pourrait atteindre des facteurs de qualité de 10^6 ou plus en choisissant un diélectrique de grille appropriées et/ou en améliorant le couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes, ce qui permettrait notamment d'augmenter la sensibilité du NEMS nanotubes de carbone par rapport à un torque magnétique générer par le retournement d'un aimant moléculaire. Dans le chapitre 6, nous démontrons la présence d'un mode de vibration longitudinal quantique dans un NEMS à base de nanotube de carbon fonctionnalisé avec des aimants moléculaires de TbPc2. Nous allons en particulier montrer que la nature quantique des deux systèmes, se traduit par un fort couplage entre le mode de compression longitudinal et l'aimantation d'un aimant moléculaire TbPc2 unique greffé sur la parois du nanotube de carbone. Ce fort couplage permet par la suite de détecter les états de spin nucléaire dans la molécule de TbPc2. Enfin, nous présenterons dans la conclusion de ce manuscrit quelques perspectives pour la détection et la manipulation (coherente) d'un seul spin (nucléaire) à l'aide d'un système mécanique quantique.