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HAL Id: tel-01838791 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01838791 Submitted on 13 Jul 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Développement d’une méthodologie de qualification de systèmes complexes par des essais de fiabilité Sylvain Delage To cite this version: Sylvain Delage. Développement d’une méthodologie de qualification de systèmes complexes par des essais de fiabilité. Energie électrique. Université d’Angers, 2018. Français. NNT : 2018ANGE0001. tel-01838791 Sylvain DELAGE Mémoire présenté en vue de l’obtention du grade de Docteur de l'Université d'Angers sous le sceau de l’Université Bretagne Loire École doctorale : STIM Discipline : 60 Spécialité : Sciences de l’ingénieur Unité de recherche : LARIS Soutenue le : 16/01/2018 Thèse N° : 92066 JURY Rapporteurs : Léo GERVILLE-REACHE, Maître de conférences, HDR, Université de Bordeaux Abdelkhalak EL HAMI, Professeur, INSA Rouen Examinateurs : Jocelyn BONJOUR, Professeur, INSA Lyon Mihaela BARREAU, Maître de conférences HdR, Université d’Angers Invité(s) : Jean-Marc VOGT, Manager développement transverse, CIAT, UTC Jean-Michel NAVARRO, Docteur, Directeur études et développements produits, CIAT, UTC Directeur de Thèse : Fabrice GUERIN, Professeur, Université d’Angers Co-encadrant de thèse : Sylvain CLOUPET, Maître de conférences, Université d’Angers Développement d’une méthodologie de qualification de systèmes complexes par des essais de fiabilité Remerciements Le travail de thèse qui aboutit à ce manuscrit a été mené au sein de la société CIAT en partenariat étroit avec le LARIS (ISTIA). Je remercie particulièrement Fabrice Guerin pour son implication, ses conseils précieux et son aide tout au long de cette thèse. Son enthousiasme et son professionnalisme m’ont permis d’aller de l’avant et de comprendre en profondeur le vaste monde de la fiabilité. Merci également à Sylvain Cloupet qui a co-encadré cette thèse et m’a apporté son soutien et ses commentaires lors de la rédaction et de nos échanges à l’occasion de mes venues à Angers. Je remercie tous mes collègues de CIAT qui m’ont accompagné au cours de ces années de recherche, au sein de l’équipe Essais & Qualifications puis du Bureau d’Etudes Développement. La thèse CIFRE a ceci d’intéressant qu’elle permet d’appréhender pleinement la vie en entreprise et sa complexité, mon écrit doit donc beaucoup aux équipes avec lesquelles j’ai eu la chance de travailler. Mes remerciements en particulier à Jean-Marc Vogt et Jean-Michel Navarro qui m’ont « drivé » dès le début et ont su me transmettre les attentes, les besoins et les spécificités de CIAT vis-à-vis de la problématique fiabiliste, tout en me faisant confiance dans l’autonomie qui m’a été laissée. J’adresse mes remerciements chaleureux à mes parents, ma famille et mon amour Cléa. Un coucou spécial à ma petite nièce Naomi qui nous a rejoints depuis peu au sein de la tribu Delage. Glossaire Fiabilité AIC : Akaike Information Criterion ALT : Accelerated Life Test AMDEC : Analyse des Modes de Défaillances de leurs Effets et de leur Criticité CNQ : Coûts de Non Qualité FMEA : Failure Mode Effects and Analysis MTTF : Mean Time To Failure REX : Retour d’EXpérience SdF : Sûreté de Fonctionnement Ppm : Partie par million Machines thermodynamiques AHU : Air Handling Unit CFC : Chlorofluorocarbones COP : Coefficient Of Performance CPU : Central Process Unit CTA : Centrale de Traitement d’Air CVC : Chauffage Ventilation Climatisation ECS : Eau Chaude Sanitaire EER : Energy Efficient Ratio ESEER : European Seasonal Energy Efficient Ratio FCU : Fan Coil Unit GMV : Groupe Moto Ventilateur GWP : Global Warming Potential HCFC : Hydrochlorofluorocarbones HFO : Hydrofluoroléfine HVAC : Heating Ventilation and Air-Conditioning ODP : Ozone Depletion Potential PAC : Pompe À Chaleur PRG : Potentiel de Réchauffement Global SCOP : Seasonal Coefficient Of Performance UC : Unités de Confort Autres AFNOR : Association Française de Normalisation CCS : Climate Control and Security M2M : Machine to Machine UTC : United Technologies Corporation Contenu 1. Contexte ...................................................................................................................................... 1 2. Problématique ............................................................................................................................ 3 2.1. Notions de fiabilité .................................................................................................................. 3 2.1.1. Démarche de fiabilisation ............................................................................................... 3 2.1.2. Métriques de fiabilité ...................................................................................................... 4 2.1.3. Lois de fiabilité ................................................................................................................ 7 2.2. État de l’art en fiabilité des systèmes complexes ................................................................... 8 2.2.1. Fiabilité prévisionnelle .................................................................................................... 8 2.2.2. Fiabilité expérimentale ................................................................................................. 15 2.2.3. Fiabilité operationnelle ................................................................................................. 30 2.3. Notions de thermodynamique .............................................................................................. 36 2.4. État de l’art en fiabilité du domaine HVAC ........................................................................... 54 2.4.1. Fiabilité prévisionnelle .................................................................................................. 54 2.4.2. Fiabilité expérimentale ................................................................................................. 59 2.4.3. Fiabilité opérationnelle ................................................................................................. 62 2.5. Conclusions ........................................................................................................................... 64 3. Méthodologie de qualification .................................................................................................. 65 3.1. Modélisation du système ...................................................................................................... 69 3.2. Analyse du retour d’expérience ............................................................................................ 70 3.3. Définition des objectifs de fiabilité et risques associés par organes .................................... 77 3.3.1. Méthode des poids ....................................................................................................... 77 3.3.2. Méthode d’optimisation des coûts ............................................................................... 79 3.4. Plans d’essai .......................................................................................................................... 80 3.4.1. Détermination des conditions et temps de fonctionnement ....................................... 80 3.4.2. Définition du plan d’essais de qualification .................................................................. 82 3.4.3. Définition du plan d’essais au niveau des organes ....................................................... 82 3.4.4. Plan « Durée de vie-Estimation-Fréquentielle-conditions nominales » ....................... 87 3.4.5. Plan « Durée de vie-Démonstration-Fréquentielle-conditions nominales » ................ 90 3.4.6. Plan « Durée de vie-Estimation-Bayésienne-conditions nominales » ........................ 101 3.4.7. Plan « Durée de vie-Démonstration-Bayésienne-conditions nominales » ................. 117 3.4.8. Plan « Durée de vie-Estimation-Fréquentielle-conditions accélérées » ..................... 119 3.4.9. Plan « Durée de vie-Démonstration-Fréquentielle-conditions accélérées » .............. 126 3.4.10. Plan « Durée de vie-Estimation-Bayésienne-conditions accélérées » ........................ 128 3.4.11. Plan « Durée de vie-Démonstration-Bayésienne-conditions accélérées » ................. 133 3.4.12. Plan « Dégradation-Estimation-Fréquentielle-conditions nominales » ...................... 144 3.4.13. Plan « Dégradation-Estimation-Bayésienne-conditions nominales » ......................... 146 3.4.14. Plan « Dégradation-Estimation-Fréquentielle-conditions accélérées » ..................... 152 3.5. Définition d’un plan de synthèse ........................................................................................ 157 3.5.1. Changement des conditions de fonctionnement des organes ................................... 158 3.5.2. Changement des temps de fonctionnement des organes .......................................... 166 3.5.3. Dégradation prématurée des performances du système ........................................... 168 3.5.4. Apparition de nouveaux modes de défaillance des organes ...................................... 169 3.6. Conclusions ......................................................................................................................... 169 4. Applications industrielles ........................................................................................................ 171 4.1. Données opérationnelles .................................................................................................... 171 4.1.1. Retour d’expérience .................................................................................................... 171 4.1.2. Allocation de fiabilité .................................................................................................. 172 4.1.3. Profils d’utilisation ...................................................................................................... 174 4.2. Plan d’essais de synthèse .................................................................................................... 175 4.2.1. Calcul des objectifs ...................................................................................................... 175 4.2.2. Pompes GeoCIATTM Access .......................................................................................... 177 4.2.3. Compresseurs GeoCIATTM Access................................................................................ 177 4.3. Projet TR140 ........................................................................................................................ 178 5. Conclusions et perspectives .................................................................................................... 182 Bibliographie ....................................................................................................................................... 187 Annexe 1 : Processus de Développement UTC ................................................................................... 192 Annexe 2 : Stratégie de qualification de machine complète .............................................................. 193 Annexe 3 : Fiabilité opérationnelle, gamme LD .................................................................................. 194 Annexe 4 : Arbres de défaillances pompes et compresseurs ............................................................. 198 Annexe 5 : Données techniques TR140 .............................................................................................. 200 Résumé ...................................................................................................................................... 203 Abstract ...................................................................................................................................... 203 Liste des figures Figure 1 : Choix du niveau de détail en fiabilité dans le cycle de développement en V .................... 2 Figure 2 : Outils de fiabilité au cours du développement produit ................................................... 4 Figure 3 : Exemple de courbe en baignoire .................................................................................... 6 Figure 4 : Exemple de démarche de Sûreté de fonctionnement (Mortureux, 2002) ........................ 9 Figure 5 : Exemple de tableau de saisie d'une AMDEC Produit (Riout, 2013) ................................ 10 Figure 6 : Un arbre de défaillances : exemple d’une pompe électrique (Mortureux, Arbre de défaillance, des causes et d'événements, 2002). .................................................................. 11 Figure 7 : Exemple de diagramme de fiabilité (S. Myrefelt, 2004) ................................................. 11 Figure 8 : Exemple de modèle Markovien ................................................................................... 12 Figure 9: Exemple de représentation graphique d'inférence bayésienne (Corset, 2003) ................ 13 Figure 10: Exemple d’un réseau de Pétri pour un composant unique réparable ............................ 14 Figure 11 : Principe de la méthode Monte Carlo (M. G. Bortoli et al., 2012) ................................. 14 Figure 12 : Illustration de la méthode Contrainte-Résistance ....................................................... 15 Figure 13 : Types de stress et niveaux associés en essais ............................................................. 16 Figure 14 : Défaillances catalectiques et par dérive (dégradation d’une performance) ................. 18 Figure 15 : Défaillances principe des essais accélérés .................................................................. 19 Figure 16 : Représentation des distributions a priori, vraisemblance et a posteriori ..................... 21 Figure 17 : Inférence bayésienne ................................................................................................ 21 Figure 18 : Principe d’un essai accéléré ....................................................................................... 23 Figure 19 : Définition de la fonction de transfert ......................................................................... 26 Figure 20 : Exemple de trajectoires de dégradation ..................................................................... 28 Figure 21 : Définition d’un accroissement de dégradation ........................................................... 30 Figure 22 : Structure du retour d'expérience (Lannoy, 2011) ........................................................ 31 Figure 23 : Types de données du REX .......................................................................................... 31 Figure 24 : Processus de fiabilité opérationnelle, approche paramétrique.................................... 33 Figure 25 : Principe de la machine thermique .............................................................................. 36 Figure 26 : Cycle thermodynamique idéal du R410A, diagramme Ph ............................................ 37 Figure 27 : Schéma frigorifique typique d'un groupe de froid air-eau CIAT ................................... 39 Figure 28 : Exemple d’enveloppe compresseur, pompe à chaleur air/eau .................................... 41 Figure 29 : Exemple de plaques d'échangeur à plaque brasée (EXEL) ............................................ uploads/Litterature/ developpement-d-x27-une-methodologie-de-qualification-de-systemes-complexes-par-des-essais-de-fiabilite-2018.pdf