Cv rafic Younès

XI – Parcours

Ma thèse portait sur la modélisation thermomécanique du moteur Diesel ainsi que ses polluants [21, 22, 55, 56, 57]. L’objectif était de réaliser une commande optimale minimisant la pollution produite par les poids lourds. Les équations de conservation en thermique, mécanique des fluides compressibles ainsi que les lois de combustions ont été utilisés. Une simplification des équations écrites s’imposait, et le résultat essentiel de cette thèse a été un modèle thermomécanique, chimique et dynamique simplifié pouvant s’exécuter sur PC en temps réel. Une validation expérimentale de ces travaux a été menée sur un banc d’essai moteur. Ces expériences ont permis aussi de tracer une carte de commande statique pouvant utiliser le turbocompresseur à géométrie variable pour réduire les divers polluants. Les mots clés principaux de ce travail sont : Modélisation – Commande optimale – Moteur Diesel.

A mon retour au Liban, J’ai été confronté aux difficultés de réaliser une recherche expérimentale très coûteuse sur l’usinage précis [77, 78, 79]. J’ai trouvé réaliste de garder seulement les deux thématiques fondamentales issues de mon parcours de doctorat : Modélisation et Optimisation. Ainsi, j’ai accompli une année de formation complémentaire à l’Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne portant sur : Modélisation et Calcul Intensif [53, 54, 77]. J’ai pu par la suite, dans le cadre des formations doctorales de la Faculté de Génie – Université Libanaise, initier avec quelques laboratoires de recherche français des collaborations sur des travaux axés sur la modélisation et l’optimisation dans différents domaines physiques : Matériaux, Biorobotique, Environnement, … Dans ces activités de recherche, la partie expérimentale se réalise en France et elle est finalisée dans la partie de modélisation ou optimisation au Liban.

La particularité de notre apport réside dans : - l’approche permettant la formulation des problèmes d’optimisation - la résolution numérique des problèmes obtenus selon des méthodes classiques (quasi-newton, SQP, . . .) ou stochastiques (algorithme génétique, classification des datas, . . .) – l’intégration des disciplines diverses dans le même problème d’optimisation – la gestion de la collaboration de plusieurs équipes sur divers sites pour accomplir les étapes d’une approche proposée et enfin, l’extension de ces points à plusieurs applications en Génie Mécanique.

Plusieurs thèmes ont pu ainsi démarrer :

Biomécanique
Détermination des efforts musculaires dans un modèle de main humaine lors d’une activité donnée [19, 20, 52, 64, 71, 73, 75].
Equipe : Joe Chalfoun, Fethi Ben Ouezdou (UVSQ - France), Rafic Younès (ULFG - Liban),

Lotfi Romdhane (ENIM - Tunisie), Frank Palis (ETUM - Allemagne)

Moyens : Bourse CNRSL (800 euros/mois sur 3 années), Projet AUPELF (20000 euros sur 2 années)

Ce projet traite du développement d'un modèle de la main et l'avant-bras humain. Le modèle adopté doit être le plus proche possible de la réalité. Ceci est nécessaire pour pouvoir, d’une part, simuler avec une grande précision des mouvements réels quotidiens. D’autre part, grâce à ce modèle, une meilleure compréhension du comportement biomécanique et neuromusculaire du système main/avant-bras est visée. Ceci permettra aussi, dans le cadre du handicap, de disposer à terme d’un outil pour la simulation des actes de chirurgie réparatrice (transfert de tendon). L’aide à la mise au point de prothèse constitue un objectif ultérieur de ce simulateur. Le mouvement est simulé à la même fréquence que celle du mouvement humain. Une relation entre les forces musculaires et les couples articulaires est établie.

Les forces, déformations et activations musculaires responsables d'un mouvement du système main/avant-bras sont calculées en employant une formulation d'optimisation non linéaire permettant de sélectionner, parmi un nombre très grand des muscles du bras, ceux qui doivent accomplir la taché donnée. Des gestes simples de la main tel que le rasage ou l’écriture sont simulés.

Classification des sièges d’automobiles par la détection de la fatigue dans les signaux EMG [18, 51].

Equipe : Mirna Atieh (UTT - France), Herman Akdag (LIP6 - France)

Rafic Younès, Mhamad Khalil (ULFG - Liban),

L'objectif de notre étude est de détecter la fatigue musculaire, pour évaluer l'inconfort d'un opérateur assis en situation de pilotage de longue durée, à partir de l'analyse du signal électromyographique EMG.

Chaque signal acquis est composé de 70.000 points. Il sera divisé en segments dont chacun est considéré en état statique. Nous avons étudié les deux types classiques de paramètres statistiques (La valeur moyenne, l’écart type, La dissymétrie et L’aplatissement) et spectraux (Moments spectraux, Les percentiles, La fréquence médiane, La puissance du signal, La fréquence moyenne, L’énergie relative par bande de fréquence et le rapport H/L).

Nous avons procédé selon des techniques statistiques (k-Moyenne, LBG, ACP) ainsi que d’autres de Data mining (la logique floue, les réseaux compétitifs, algorithme des fourmis. Ces différentes méthodes ont été appliquées sur deux signaux réels issus d’une même personne testée sur deux types de sièges à confort différent. Les paramètres statistiques n’ont aucune influence sur la détection de la fatigue, Alors que, parmi les paramètres spectraux, les énergies de fréquence ont donné les meilleurs résultats de classification.

D’après les diverses méthodes appliquées, il semble que l’hybridation de FCM avec la méthode de l’analyse en composantes principales est le meilleur choix pour ce type d’application.

Commande symbolique d'une main artificielle à partir des signaux EMG [60, 63]

Equipe : Mirna Atieh, Piere-Yves Glorennec (INSA - France), Rafic Younès, Chaiban Nasr (ULFG - Liban) – Mohamad Yasser Hayyani, Mohamad Haisam Ibrahim (Université d’Alep)

Moyens : Projet de recherche libano-syrien (11000 euros sur 2 années).

Projet CNRS français / CNRS libanais (4200 euros sur une année). 

Le domaine d'application qui nous intéresse est celui de l'aide aux personnes amputées, par la commande de prothèses de mains ou de coudes, appelées prothèses myoélectriques. Il existe déjà de bonnes prothèses myoélectriques, mais leur ergonomie laisse à désirer : Les commandes ne sont pas toujours fiables et Il n'y a aucune interaction entre la prothèse et la personne.

L'utilisation d'une prothèse reste très contraignante et les mouvements possibles se réduisent à la fonction de pince élémentaire. Les premiers travaux effectués ont mis en évidence les limites d'une commande « tout EMG", ce qui est conformé dans les faits par les médecins et orthoprothésistes du domaine. Le travail envisagé va donc porter sur les protocoles de communication personne-prothèse, en complément des signaux EMG, pour aboutir a une "main artificielle intelligente" et communicante, capable de s'adapter à la personne et non pas le contraire comme aujourd'hui. Parmi les améliorations prévues, nous envisageons l’intégration du muscle artificiel (Ionomeric Polymer-Metal Composites) dans les mains myoélectriques à la place des actionneurs classiques utilisées actuellement.

L'originalité de ce projet vient de: - L’introduction de mécanismes d'apprentissage pour une meilleure adaptation à la personne amputée, - L’introduction d'une interaction personne-prothèse, pour une meilleure ergonomie et fiabilité.

Matériaux et Structures

Modélisation et optimisation du comportement élastique endommageable des matériaux composites à renfort tridimensionnel [1, 2, 9, 10, 39, 44, 48, 50, 61, 67, 68, 74, 87, 89].

Equipe : Rafic Younès (ULFG - Liban), Christianne El-Hage, Zoheir Aboura, Malk Benzegagg (UTC - France).

L’importance des matériaux composites dans les structures aéronautiques ou automobiles n’est plus à démontrer. Le développement de nouvelles architecture de tissage élargi le champ d’application de ces matériaux. La multitude d’architectures complexes en terme de motifs géométriques pose, d’une part, le problème de la prédiction du comportement mécanique de ces nouveaux matériaux et d’autre part le choix des paramètres géométriques du motif de tissage assurant le meilleur compromis coût - performances - masse. La démarche se scinde alors en deux étapes: la première, allouée à la modélisation, doit impliquer l’ensemble de ces contraintes et la deuxième doit, par l’optimisation, dégager ce compromis. Si divers travaux se penchent actuellement sur la première problématique (la modélisation), la littérature reste avare de travaux d’optimisation sur des architectures tissés, notamment les architectures complexes telles que les orthogonaux 3D.

Le matériau composite à renfort carbone orthogonal 3D et à résine époxy utilisé lors de cette étude est obtenu par le procédé RTM (Resin Transfert Modeling). De précédentes études ont permis de valider une méthode d’homogénéisation contribuant à la prédiction de la matrice d’élasticité 3D ainsi que la contrainte ultime en traction uni-axiale. Il s’agit donc de minimiser, à iso-performances, le volume du VER (volume élémentaire représentatif) du tissu 3D.

La résolution du problème est obtenue en utilisant le schéma de Programmation Quadratique Séquentielle (S.Q.P). Cette démarche d’optimisation a été appliquée pour diverses Tex de mèches de carbones de types T300J, T400H, T600S, T700S, T700G et T800H. Les résultats de cette étude montrent l’intérêt de l’optimisation dans la minimisation du volume du VER. A titre d’exemple, dans le cas de la T300J, une réduction d’un rapport de 2 du Tex des mèches entraîne une réduction de 3 sur le volume du VER.

Optimisation thermomécanique d'un multi-matériau avec loi d'endommagement [4, 29, 41, 59, 62, 66, 69]

Equipe: Rafic Younès (ULFG - Liban), Bilal Taher, Said Abboudi (UTBM - France).

Moyens : Bourse AUF (800 euros/mois), sélection 2005-2006 – Mobilité AUF

Le besoin croissant de structures aux exigences fonctionnelles multiples oriente les concepteurs en bureau d'étude à combiner intimement les matériaux pour obtenir suivant les échelles de couplage, des multi-matériaux ou des structures multi-constituants. La durée de vie de ces structures représente un élément de décision primordial pour les bureaux d’études et les fabricants. Les résultats de ce travail doivent ajouter, à l’ensemble des charges fonctionnelles et contraintes de résistance, la fonction de durée de vie comme objectif à optimiser pour un multi-matériau.

Cette étude consiste à l'analyse de l'endommagement dans un corps formé de deux couches différentes de matériaux isotropes (acier, Aluminium), en régimes transitoires. Cet endommagement est causé par la soumission de ce corps à un flux de chaleur cyclique (variable) sur deux bornes dans deux directions perpendiculaires (2D). Le corps étudié est fixé dans une direction et libre dans l'autre (un seul degré de liberté). L'analyse du couplage thermomécanique subi par le corps est réalise par des méthodes numériques (différences finies) en faisant subir au multi-matériau des excitations sinusoïdales, en dents de scie et aussi carrés. Un modèle d’endommagement est intégré afin de suivre l’évolution de la fatigue du multi-matériau.

L’étude devra conclure par une optimisation non-linéaire utilisant un algorithme génétique pouvant optimiser le choix des matériaux, la géométrie du corps et la durée de vie total en fonction des contraintes et des déformations causée par l'effet thermomécanique.

Optimisation d’une frontière pour les problèmes d'écoulement: application à la modélisation d'un brise-lame [3, 6, 7, 11, 12, 17, 23, 28, 32, 36, 37, 42, 43, 76]

Equipe: Ghassan Chahhal, Pascal Lafon (UTT - France),

Rafic Younès (ULFG - Liban), Samer Raad (Port de Beyrouth - Liban).

Moyens : Bourse CNOUS (800 euros/mois – 1 an) - 06 mois de professeur invité en 2007 et 2009

L’objectif de la thèse est d’apporter une contribution dans le domaine de l’optimisation numérique de frontières mobiles en mécanique des fluides, une application concrète typique étant la conception de digue flottante au large des ports maritimes. L’étude se divise en trois parties :

En premier lieu figure l’élaboration du modèle mathématique qui résout les équations de propagation de la houle incidente, réfléchie et radié en fonction des différents paramètres comme les caractéristiques de la houle venant du large, la bathymétrie du fond dans la zone d’étude, et les caractéristiques physiques et géométriques du brise lame flottant et puis passer à l’analyse (analytiques puis éléments finis) de comportement mécanique de celle la en fonction des tous les efforts dynamiques agissants déduits de la modèle élaboré de la houle. La construction d’un modèle réduit, pour valider les résultats expérimentalement et caler éventuellement les paramètres du calcul (réflexion, diffraction et réfraction), vient en deuxième phase. Et finalement la troisième partie porte sur l’optimisation de la forme du brise-lame pour assurer les des conditions physiques comme amplitude maximale du plan d’eau dans la zone d’étude.

Dans cette étude nous avons travaillé sur le cas du Port de Beyrouth ou nous avons modélisé la propagation des vagues dans les différents bassins du Port à partir d’une houle venant du large. Une modélisation des vagues par éléments finis sous MATLAB nous a permis de visualiser en trois dimensions le mouvement du plan d’eau en tout point à l’intérieur du Port. On s’intéressera maintenant au comparative des méthodes d’optimisation paramétrique, topologique et de forme sur les brise-lames. L’originalité étant de les adapter au contexte spécifique de la mécanique des fluides en milieu marin.

Etude Probabiliste d’un Système Mécanique à Paramètres Incertains [49]

Equipe : Seif Kadry, Alaa Chateauneuf (IFMA – France), Rafic Younès, Khaled Tawil (ULFG – Liban).

La théorie des probabilités est utilisée en Mécanique depuis plusieurs décennies et est aujourd’hui de plus en plus utilisée pour modéliser, d’une part les phénomènes aléatoires (turbulence, onde sismique, houle, charges mobiles, ...) qui interviennent comme excitation des systèmes mécaniques, des structures et d’autre part, les milieux aléatoires (matériaux composites, bétons, sols, structures multicouches, ...). L’approche probabiliste prend en compte les incertitudes aléatoires sur les données de ces modèles en vue d’améliorer la robustesse des prévisions et de l’optimisation. Elle permet aussi d’effectuer des études de sensibilité en prenant en compte tout le domaine de variation de l’ensemble des paramètres influents en un seul calcul, ce qui n’est pas le cas de l’approche déterministe.

La solution d’une équation différentielle stochastique est obtenue quand on évalue la fonction de densité de probabilité de cette solution. On peut utiliser plusieurs méthodes comme l’équation Fokker-Planck, la technique de transformation, le développement de Wiener-Hermite, la méthode de perturbation, la méthode de linéarisation locale stochastique, la méthode de décomposition et la méthode d’éléments finis stochastiques.

Un premier travail a pu combiner la méthode de transformation et la méthode des éléments finis pour évaluer la fonction de densité de probabilité d’un système mécanique ayant des paramètres internes incertains. Nous avons initié l’utilisation des algorithmes génétiques dans l’optimisation des structures à paramètres incertains.

Energétique et Environnement

Réseau de neurones pour le contrôle optimal des émissions gazeuses dans les moteurs thermiques [8, 13, 14, 16, 21, 22, 26, 30, 33, 40, 45, 46, 55, 56, 57, 70].

Equipe : Rafic Younès (ULFG - Liban), Rabih Omran, Jean-Claude Champoussin (ECL - France).

Moyens : Bourse MIRA (13680 euros sur 3 années). Contrat de recherche avec Delphi (16000 euros).

Le but essentiel de la démarche est de prédire, puis de réaliser, le contrôle optimal des divers actionneurs installés actuellement sur le moteur Diesel (GV, pression d’injection, EGR, …) minimisant un critère de pollution. Nous avons utilisé l’opacité pour la démonstration de la procédure. Ce choix est lié aux données immédiatement disponibles, mais tout autre polluant pourrait remplacer l’opacité.

L’optimisation statique issue de l’expérience sur banc d’essais se traduit par des cartographies de contrôle. Un correcteur prédictif est ensuite généralement utilisé pour compenser les effets dynamiques du moteur. En boucle fermée, la commande de l’opacité à partir du débit d’air et de la pression d’admission utilise toujours les cartes de référence basées sur l’optimisation statique du moteur. L’influence du comportement dynamique est intégrée par plusieurs types de commandes (PI, contrôle robuste à paramètres variables, …).

Ce travail propose de palier à l’insuffisance de contrôle par cartes statiques. La commande proposée est basée sur deux modèles : - un modèle physique de la pollution (ici l’opacité) dont la minimisation sur des trajectoires dynamiques fournira les valeurs optimales de consigne des actionneurs. - un second modèle de représentation est construit avec des réseaux de neurones pour réaliser la commande en temps réel.

Ainsi, pour accomplir cet stratégie, Une démarche à quatre étapes suivantes a été effectuée : Modélisation dynamique du moteur, Simulation et validation du modèle, Optimisation sur des cycles normalisés et enfin l’élaboration d’un Réseau de neurones pour la commande non linéaire en temps réel. Les cartes statiques de contrôle peuvent ainsi être remplacées par des cartes dynamiques optimales.

Jumelage éolien/diesel avec stockage sous forme d’air comprimé [5, 15, 24, 35, 38, 58, 65]

Equipe: Hussein Ibrahim, Adrian Ilinca (UQAR - Canada)

Rafic Younès (ULFG - Liban), Jean Claude Champoussin (ECL - France).

Moyens : Mobilité et séjours à l’UQAR, Projet PCSI 2007 (25000 euros).

Le «Jumelage Éolien-Diesel» (JED) représente une technique de génération d’énergie électrique en utilisant en parallèle une ou plusieurs éoliennes avec un ou plusieurs groupes diesel. Cette approche est utilisée actuellement dans des communautés nordiques au Yukon, Nunavut et en Alaska.  

Nous proposons d’utiliser le jumelage éolien-diesel avec stockage sous forme d’air comprimé (JEDSAC), qui, combiné avec une suralimentation des moteurs diesel aura comme effet l’augmentation du taux de pénétration de l’énergie éolienne (TPE). Le TPE représente le pourcentage de l’énergie totale consommée par la charge provenant de l’énergie éolienne. La suralimentation est un procédé qui consiste, par une compression préalable, à élever la masse volumique de l’air à l’admission des moteurs pour en augmenter leur puissance spécifique (puissance par unité de cylindrée). Ainsi, durant les périodes de fort vent, le surplus de l’énergie éolienne (quand le taux de pénétration en puissance défini comme le rapport entre la puissance éolienne fournie et la puissance de la charge alimentée, TPP>1) est utilisé pour comprimer l’air via un compresseur et le stocker. L’air comprimé sert ensuite à suralimenter le moteur diesel, ce qui permet d’augmenter sa puissance et diminuer la consommation en combustible. Le groupe électrogène, entraîné par le diesel, fonctionne durant les périodes de vent faible ou nul, quand la puissance éolienne ne suffit pas à la charge (quand le TPP<1).

Climatisation des locaux par cycle à absorption [25, 27, 47, 72]

Equipe : Hiba Zeidan, Rafic Younès, Rana Nassar, Sahar Fayyad (ULFG - Liban),

Ahmad Ghaddar (ULFS - Liban), Said Abboudi (UTBM - France).

Moyens : Projet CNRSL (21.000.000 LL sur 3 années)

Le prix de la facture annuelle de fuel nécessaire pour la production de l’énergie électrique (selon la société libanaise de l’énergie solaire) est d’environ 350 millions dollars. 40% de la production de l’énergie électrique est consommée dans le domaine résidentielle et commerciale tel maison, appartement, magasin et entreprise commerciale…, 33% de 40% de cette énergie sont consommées dans le domaine résidentielle ce qui est équivalent à 115 millions dollars (par an). Les principaux équipements consommant dans le champ résidentiel sont : le chauffage et la climatisation, l’eau chaude sanitaire, l’éclairage et les appareils électriques, la climatisation et le. Si on suppose que la consommation pour la climatisation est d’environ 35% de 45%, on peut alors estimer que la facture de la résistance électrique résidentielle est d’environ 45 millions dollars par an. L’une de solution pour produire le froid est l’utilisation d’une machine frigorifique à absorption NH₃ – H₂O ou H₂O - LiBr. Deux applications sont envisagées :

La climatisation solaire : C’est une technologie innovante, propre, économe, fiable et renouvelable. Elle est un bon moyen de faire du froid au moment même où le soleil est le plus généreux. Cette énergie produit de froid sans engendrer de pollution. Elle évite les émissions de dioxyde de carbone, d’oxyde d’azote et de soufre. De plus, elle n’a aucun effet néfaste sur les populations, ni pour les générations à venir.

La climatisation des véhicules : Actuellement cette climatisation se fait par des groupes à compression récupérant leur énergie sur la sortie du moteur limitant ainsi les performances des véhicules. Or, un dispositif de climatisation par cycle à absorption peut profiter de la source thermique abondante contenu dans les gaz d’échappement du moteur.