Métamodèles pour l’étude fiabiliste des systèmes mécatroniques

Metamodels for the reliability study of mechatronic systems

• Auteur / Autrice : Hamid Hamdani
• Direction : Abdelkhalak El Hami, Bouchaïb Radi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 08/07/2019
• Etablissement(s) : Normandie en cotutelle avec Université Hassan Ier (Settat, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdellah El Moudni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkhalak El Hami, Bouchaïb Radi, Bouazza Braikat, Mhamed Itmi, Nabil Hmina
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bouazza Braikat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recherche linéaire (optimisation mathématique)

Matériaux -- Fatigue

Éléments finis, Méthode des

Analyse thermique

Joints brasés

Mise sous boîtier (électronique)

Fiabilité

Mécatronique

Mots clés libres

Boitier électronique

Joint de brasure

Analyse thermomécanique

Métamodèle

Cma-Es

Ka­cma-Es

Incertitude

Mechatronic system

Electronic package

Solder joint

Thermomechanical analysis

Finite element methods

Materials-Fatigue

Metamodel

Cma-Es

Ka-Cma-Es

Reliability

Mathematic optimization

Uncertainty

Résumé

Les défaillances des systèmes mécatroniques sont souvent causées par la rupture par fatigue des joints de brasure de ses composants électroniques. Avec la miniaturisation croissante des boîtiers électroniques, la sollicitation des joints de brasure, qui assurent la liaison entre les sorties du composant et la carte, peut devenir problématique. En effet, les joints de brasures peuvent accepter des taux de déformation importants, mais une accumulation des sollicitations répétées provoquent leur vieillissement prématuré pouvant conduire à la rupture de joints brasés (phénomène de fatigue thermomécanique). Ainsi, les études basées sur la simulation par les méthodes des éléments finis sont menées pour étudier numériquement la durée de vie des boîtiers montés sur circuit imprimé (fiabilité de deuxième niveau). Le coût de calcul élevé de la résolution de ce type de problèmes peut rendre la procédure d’optimisation et d’évaluation de la fiabilité irréalisable en raison de la grande consommation de temps de calcul de la simulation multiphysique par la méthode des éléments finis. Cette thèse propose d’une part, une adaptation de la méthode CMA-ES Assisté par le métamodèle de krigeage pour l’optimisation globale d’un problème. La mise en œuvre de cet algorithme proposé a été réalisée dans l’optimisation globale des joints de brasure d’un boîtier de type PQFP. Les résultats des études numériques montrent que l’algorithme KA-CMA-ES proposé est plus efficace et plus performant que l’algorithme CMA-ES standard. D’autre part, une méthodologie générale pour l’analyse de la fiabilité en fatigue est proposée dans ce manuscrit. Elle s’appuie sur la modélisation des incertitudes (chargement, propriétés du matériau, géométrie) et vise à quantifier le niveau de fiabilité du système étudié pour un scénario de défaillance en fatigue. Une méthode basée sur les techniques de métamodélisation est précisément proposée pour remédier à la complexité des systèmes mécatroniques dans la résolution du problème de fiabilité. Le métamodèle est utilisé pour imiter le comportement du modèle mécanique tout en satisfaisant en même temps l’efficacité et la précision de ce dernier. La mise en œuvre de cette méthodologie est appliquée pour l’analyse de fiabilité d’un boîtier de type T-CSP.

Mechatronic system failures are often caused by fatigue failure of the solder joints of its electronic devices. With the increasing miniaturization of electronic devices, the stress on solder joints, which provide the connection between the component outputs and the PCB, has become a major challenge. Indeed, solder joints can accept high deformation rates, but an accumulation of repeated stresses causes their premature ageing which can lead to the rupture of solder joints (thermomechanical fatigue phenomenon). Thus, the studies based on finite element simulation methods are performed to numerically investigate the lifetime of PCB-mounted devices (secondlevel reliability). The high computational costs required to solve such problems may make the optimization and reliability assessment procedure impracticable due to the high computation time of multi-physics finite element simulation. This thesis proposes on the one side, an adaptation of the CMA-ES method Assisted by the kriging metamodel for the global optimization of a given problem. The implementation of this proposed algorithm was performed in the global optimization of the solder joints in a PQFP package. The results of the numerical studies show that the proposed KA-CMA-ES algorithm is more efficient and more efficient than the standard CMA-ES algorithm. On the other side, a general methodology for reliability analysis in fatigue is proposed in this manuscript. It is based on the uncertainty modeling (loading, material properties, geometry) and aims to quantify the reliability level of the system studied for a fatigue failure scenario. A method based on metamodelling techniques is precisely proposed to address the complexity of mechatronic systems in solving the reliability problem. The metamodel is used to emulate the mechanical model behaviour while satisfying both the its efficiency and accuracy. The implementation of the proposed methodology is applied for the reliability analysis of a T-CSP package.