Mechatronics is a multidisciplinary design process that relies on the synergic integration of mechanical, electrical, control, and software engineering to deliver products that outperform their competitors in terms of efficiency, precision, cost and reliability. However, this comes at a cost, designing multi-disciplinary systems is a challenging task that requires a lot of coordination and cooperation between designers. Several challenges are reported by both academic and industry-related literature. One of the most important is the tedious communication between engineering designers from various disciplines due to a lack of a common language to represent concepts. This leads to difficulties in transferring models and pertinent information between domains. To succeed in nowadays competitive markets, a concurrent and dynamic design process should be followed to reduce the project lead-time and spark innovation. However, such a process results in many dependencies as a consequence of multi-disciplinary design and it is often difficult to streamline the design activities.

Due to the lack of existing computational support tools for conceptual design of mechatronics and the importance of taking dependencies (product related) into account as early as possible in the design process, a functional reasoning framework as well as a dependency modeling scheme were developed in this master thesis.

The functional reasoning framework was realised by customizing the SysML (Systems Modeling Language) language and developing a plug-in in the modeling tool MagicDraw (No Magic, Inc.). The plug-in integrates the rule-based expert system CLIPS (C Language Integrated Production System - NASA) that allows encapsulating engineering knowledge in the form of rules to analyze and perform tasks on functional diagrams.

A new acquisition method and representation scheme of dependencies was proposed in this master thesis. The concept of “meta-dependency” was introduced to model dependencies shared by a large number of elements in a same mechatronic system or sub-system. It allows engineering designers to efficiently and abstractly capture dependencies early in the deign process and reduces the number of relationships to be built manually between dependent elements in the system. To prove the efficacy of the proposed modeling method, adverse effects, a type of dependency that suits the proposed modeling scheme, were used and integrated into the functional reasoning framework, which was programmed to automatically generate a Design Structure Matrix for each type of dependency and present them to the engineering designers.

Two case studies were carried-out where mechatronic products were modeled using the functional reasoning framework while taking adverse-effect dependencies into account. First, a simple device that regulates the temperature of water was used to illustrate the principle. Then, the conceptual model of a quadrotor drone was designed. The resulting functional modularization and rough geometric layout of the quadrotor were presented, as well as a set of design problems that were avoided.

The functional reasoning design framework in conjunction with the meta-dependency modeling scheme proposed and developed in this master thesis proved to be a dynamic modeling tool that is flexible and allows changes to be made in the design with little effort from the engineering designer. Tagging functions with adverse effects proved to be an efficient and effective method of acquiring information on this type of dependencies and managing them. It is an intuitive way of handling and capturing abstract dependencies early in the design process without shifting the designer’s focus away from solution finding

La conception mécatronique est un processus de design pluridisciplinaire, il repose sur l'intégration synergique des domaines d’ingénierie mécanique, électrique, contrôle et logiciel pour concevoir des produits qui surpassent les autres produits en termes d'efficacité, de précision, de coût et de fiabilité. Toutefois, cela a un coût, la conception de systèmes multidisciplinaire est une tâche ardue qui exige beaucoup de coordination et de coopération entre les ingénieurs concepteurs. Beaucoup de ces difficultés ont été reportées dans les domaines académique et industriel. Il en ressort que la communication technique entre les concepteurs appartenant à diverses disciplines d’ingénierie se fait très difficilement et ce en raison de l'absence d'un langage commun pour représenter les différents concepts. Ceci entraîne des difficultés majeures à transférer les modèles et les informations pertinentes entre les domaines ce qui entrave la possibilité d’appliquer un processus de développement intégré (concurrent). Pourtant, d’une part, un processus de conception intégré et dynamique doit être suivi pour réduire le temps de conception du projet et ainsi réduire les couts et supporter l'innovation. D’autre part, la conception multidisciplinaire se traduit par l’introduction d’un grand nombre de dépendances durant la conception, rendant ainsi les activités de conception difficile à synchroniser entravant le processus intégré.

En raison de l'absence d'outil de support informatique pour le design conceptuel, et l'importance de considérer les dépendances le plus tôt possible dans le processus de conception, un cadre de raisonnement fonctionnel en conjonction avec un système de modélisation des dépendances (liées au produit) ont été développés dans ce mémoire de maîtrise.

Le cadre de raisonnement fonctionnel a été réalisé par la personnalisation du langage SysML (Systems Modeling Language), et par le développement d’un module d’extension (plug-in) dans l'outil de modélisation MagicDraw (No Magic, Inc.). Le plug-in intègre un système expert à base de règles (CLIPS :​ C Language Integrated Production System - NASA) qui permet d’encapsuler les connaissances d'ingénierie sous la forme de règles pour analyser et effectuer des tâches sur des diagrammes fonctionnels.

Une nouvelle approche d'acquisition et une représentation schématique de dépendances ont été proposées. La notion de "méta-dépendances» a été introduite pour modéliser les dépendances qui sont partagées par un grand nombre d'éléments dans un même système. Cela permet aux concepteurs de capter efficacement et abstraitement les dépendances tôt dans le processus de conception et ainsi réduire le nombre de relations à construire manuellement entre les éléments dans ce système.

Pour prouver l'efficacité de la méthode de modélisation proposée, les effets indésirables, un type de dépendances qui peut être utilisé avec le schéma de modélisation proposé, ont été utilisés et intégrés dans le cadre de raisonnement fonctionnel. Ce dernier a été programmé pour générer automatiquement une matrice de conception de la structure pour chaque type de dépendance et les présenter aux concepteurs.

Deux études de cas ont été réalisées où des produits mécatroniques ont été modélisés en utilisant le cadre de raisonnement fonctionnel tout en prenant les dépendances d’effets indésirables en compte. Tout d'abord, un dispositif simple qui régule la température de l'eau a été utilisé pour illustrer le principe. Ensuite, le modèle conceptuel d'un drone quadrotor a été conçu. La modularisation fonctionnelle résultante et la disposition géométrique approximative du quadrotor ont été présentées, ainsi qu’un ensemble de problèmes de conception qui ont été évités.

Le cadre de conception de raisonnement fonctionnel en conjonction avec le schéma de modélisation méta-dépendance proposé et développé dans cette thèse de maîtrise ont prouvé d’être un outil de modélisation dynamique et flexible qui permet d’apporter des changements au design durant la conception avec peu d'efforts de la part des concepteurs. Le marquage des fonctions avec les dépendances d’effets indésirables c’est avéré être une méthode efficace et effective pour acquérir et gérer l’information sur ce type de dépendances.