Gestion des interactions pour l’évaluation en phase de préconception, des architectures 3D de systèmes sous contraintes multi-physiques, application à la thermique

Interaction management in conceptual design for the assessment of 3D system architectures under multi-physical constraints : application to thermal analysis

• Auteur / Autrice : Romain Barbedienne
• Direction : Alain Rivière, Jean-Yves Choley, Olivia Penas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies industrielles
• Date : Soutenance le 21/04/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Quartz (Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Omar Hammami
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Budinger, Eric Duceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephan Rudolph, Stanislao Patalano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ingénierie des systèmes

Géométrie

Simulation par ordinateur

Thermique

Conception technique

Mots clés libres

Conception préliminaire

Thermique

Simulation

Géometrie

Ingénierie Systèmes

Transformation de modèles

Conceptual design

Thermal

Simulation

Geometry

Systems Engineering

Model Transformation

Architecture evaluation

Résumé

La préconception est une phase aboutissant à la génération d’une architecture physique de concept. Dès cette phase, il est crucial de choisir une architecture qui prenne en compte les contraintes multi-physiques. Cette thèse permet de répondre à cette problématique : comment évaluer des architectures physiques d’un système complexe sous contraintes multi-physiques pendant les phases amont, afin de limiter les risques de couplages multi-physiques dans les étapes suivantes, qui engendrent une augmentation conséquente de la durée et du coût de la conception ?Pour répondre à cette problématique, nous proposons tout d’abord un processus nommé SAMOS permettant aux acteurs de cette phase d’échanger des informations en limitant le risque d’incohérences et d’incompréhensions. Puis, en nous limitant à l’analyse thermique, nous avons développé une plateforme « modeleur 3D thermique », s’appuyant sur un environnement 3D, deux extensions SysML et des transformations de modèle, pour faciliter les échanges d’informations et de données entre l’architecte système, l’architecte 3D et les équipes de simulation, et ainsi diminuer la redondance et le temps de conception.Ainsi, pour permettre la gestion de l’encombrement et du positionnement spatial de chaque équipement, une extension SysML GERTRUDe a été proposée pour pouvoir spécifier des exigences géométriques : formes géométriques simples des composants, dimensions, contraintes de positionnement.GERTRUDe utilise le modèle géométrique des SATT enrichi avec les paramètres intrinsèques. De la même façon, l’extension SysML TheReSE, basée sur GERTRUDe, permet la gestion des exigences thermiques : propriétés thermiques de composants et spécification des interactions thermiques susceptibles d’intervenir entre les composants de l’architecture.De même les interactions thermiques entre les différents équipements peuvent être soit spécifiées en SysML, soit être ajoutées dans l’environnement 3D. Ces informations permettent de définir alors un réseau d’interactions thermiques, qui intègre à la fois les informations géométriques et thermiques. Ce réseau est alors transformé en un modèle thermique implémenté en Modelica, qui permet par simulation d’évaluer la température des faces des composants.Les approches proposées ont été implémentées dans un démonstrateur, afin de démontrer la faisabilité du concept sur plusieurs cas d’études industriels, et ainsi valider les attentes industrielles vis-à-vis de l’approche proposée et ses perspectives.

Conceptual design leads to the generation of a physical concept architecture. From this phase, it is crucial to select an architecture that takes into account multi-physical constraints. We propose in this thesis to solve the following research issue: how can the physical architectures of a complex system under multi-physical constraints be evaluated during the earlier design phases, in order to limit the risks of multi-physical coupling in the following phases that generate a considerable increase in design time and cost?To tackle this problem, we first propose a framework called SAMOS which allows the actors in the design to exchange information during this phase while limiting the risks of inconsistencies and misunderstandings. Then, by focusing on the thermal analysis, we develop a "thermal 3D sketcher" platform, based on a 3D environment, two SysML extensions and several model transformations. It will facilitate human and data exchanges between System architects, 3D architects and simulation teams, thus reducing redundancy and design time.Thus, in order to manage the geometry requirements and spatial positioning of each item of equipment, the GERTRUDe SysML extension is proposed. It allows specifying geometrical requirements such as simple geometrical shapes for the components, their dimensions and positioning constraints.GERTRUDe uses TTRS (Technologically and Topologically Related Surfaces) geometrical modeling enriched with intrinsic parameters. Likewise, the TheReSE SysML extension, based on GERTRUDe, allows the management of thermal requirements: the thermal properties of components and the specification of thermal interactions that may occur between the architecture components.The transformation rules are described. They automatically generate a specified architecture which includes possible geometrical constraints that can be transformed from a SysML environment into a 3D environment; the direction of transformation can be reversed so that a 3D architecture can be traced from a 3D environment to a SysML environment.Similarly, the thermal interactions between the different components can be either specified in SysML or be added in the 3D environment. This information allows defining a thermal interactions network which integrates both geometrical and thermal data. This network is then transformed into a thermal model implemented in Modelica, which allows simulation to evaluate the temperatures of the components’ faces.The approach proposed is implemented in a demonstrator to provide proof of concept based on several industrial case studies, thus validating the industrial expectations with regard to the approach proposed and its perspectives.