Mécatronique


Contexte : L’activité de recherche porte principalement sur les outils, langages et méthodologies de conception mécatronique. Dans ce domaine, les problématiques scientifiques et industrielles en conception sont principalement liées à la multiplicité des vues et des modélisations :

  • Différents domaines avec des méthodologies et des langages souvent très différents : mécanique,électronique, informatique, automatique...
  • Différentes physiques d’autant plus incontournables que le système est très intégré physiquement (compacité): thermique, CEM, élasticité, vibroacoustique, couplages multi-physiques forts et faibles...
  • Différents niveaux de modélisation : exigences, fonctionnel, logique, organique, physique...
  • Avec des raffinements allant de la description très macroscopique à la définition détaillée;

En particulier, l’architecte système dispose de peu de moyens lui permettant de vérifier en amont dans le processus de conception si une architecture du système va permettre d’obtenir le comportement attendu.

L’objectif est donc de modéliser et d’assurer la cohérence de l’ensemble des modélisations, afin de rendre possible l’optimisation globale de la structure d’un système mécatronique pour un comportement attendu.

Thème 1 : Fiabilisation du processus de conception mécatronique
Elle est obtenue à l’aide d’une méthodologie originale déployée en SysML, langage d’Ingénierie Systèmes (IS) développé conjointement par l’OMG et l’INCOSE. Elle repose sur une analyse "black box" aboutissant à un modèle de cahier des charges paramétré, chiffré, complet et cohérent, et sur une analyse "white box" permettant de modéliser la structure interne et le comportement du système. Ce processus générique permet d’intégrer efficacement des activités pouvant être sources de pertes de cohérence et de cycles de conception longs et coûteux:

  • Une quantification de la pertinence des solutions envisagées en définissant de nouvelles métriques concernant l’architecture et le comportement des systèmes et des modèles;
  • Un processus d’analyse de sûreté de fonctionnement avec intégration au processus d’IS des outils tels que FMEA (AMDEC) et FTA;
  • La modélisation multi-niveau en mécatronique en utilisant les méthodes multi-agents.

Thème 2 : Approche topologique de la modélisation des systèmes mécatroniques
La diversité des vues de description de la structure et du comportement du système est telle qu’un recul mathématique est nécessaire afin de mieux appréhender les fondements de la modélisation mécatronique. Nous avons identifié la topologie comme étant le socle mathématique commun aux différents domaines. Ainsi, il est possible d’intégrer dans un même modèle des vues mécanique, électronique, informatique et automatique, avec une topologie commune pour la structure. Celle-ci peut alors supporter les modèles de comportements en s’appuyant sur les travaux de Bjork, Kron et Branin basés sur les dualités identifiées dans les différentes physiques (lois de Kirchoff généralisées…). Le langage MGS, adapté à la modélisation topologique, est actuellement évalué.

Thème 3 : Une nouvelle approche de la synthèse des systèmes mécatroniques
Le comportement multi-physique d’un système mécatronique doit être accessible très tôt dans le processus de conception afin que l’architecte système dispose de moyens numériques lui permettant de faire les bons choix architecturaux. Trois voies sont explorées au LISMMA :

  • L’interopérabilité des outils de modélisation et de simulation multi-physique. L’optimisation de la performance des modules mécatroniques, dont le comportement dépend du couplage entre plusieurs physiques et la géométrie, nécessite de faire inter-opérer divers outils de modélisation et de simulation appartenant à des domaines différents. L’objectif de ces travaux est de proposer des méthodes qui permettent de coupler des modèles multi-physiques, dont le comportement est modélisé avec des équations aux dérivées partielles, avec des modèles électriques supportés par des simulateurs de systèmes. Les travaux portent sur la méthode de couplage direct des simulateurs en définissant des passerelles permettant d’automatiser l’échange des données entre des modèles mécaniques 3D et des modèles électriques 0D, à travers un environnement d’intégration.
  • L’élaboration de modèles compacts, par exemple en utilisant les techniques "Surrogate modeling" et "Meshless", ainsi que des modèles réduits issus principalement d’opérations de réduction de modèles multi-physiques à base d’éléments finis. Implémentés dans un environnement tels que Dymola (Modelica) ou Catia V6 (Modelica), ils permettent de faire rapidement de l’analyse d’architecture avec itération;
  • L’élaboration d’une modélisation s’appuyant sur le concept SATT (Surfaces Associées Topologiquement et Technologiquement) à base d’objets géométriques simplifiés générant des champs multi-physiques tout en étant soumis aux champs générés par les objets voisins. Prototypé en Modelica, l’outil doit permettre la synthèse sans itération d’architecture, de la géométrie 3D sous contraintes multi-physiques, et non l’inverse comme cela est couramment fait en analyse d’architectures de système.