Methodological contribution to the preliminary design support and optimization of mechatronic systems

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