Thèse : Conception et développement de stratégies d'optimisation multidisciplinaires en vue du monitoring et de l'optimisation d'équipements aérodynamiques en cyclisme

Résumé

L’optimisation des performances en cyclisme contre-la-montre repose traditionnellement sur des approches
cloisonnées (aérodynamique, biomécanique, thermorégulation), sans intégration dynamique de ces paramètres. Cette étude
propose un algorithme multiphysique inédit, couplant en temps réel la biomécanique, l’aérodynamique, la thermorégulation
et la mécanique des structures, afin d’optimiser la position d’un cycliste et la conception d’un prolongateur pour un parcours
donné.
Les résultats révèlent des interactions fortes entre la posture du cycliste, sa puissance générée aux pédales, son aérodynamisme
et sa thermorégulation. Cette posture, elle-même modulée par la position des prolongateurs, interagit avec la vitesse et le profil
de course. Une position plus relevée sur le vélo, en augmentant l’angle de hanche, favorise la production de puissance
musculaire et améliore la thermorégulation grâce à une convection accrue, cependant, elle s’accompagne d’une traînée
aérodynamique plus élevée, défavorable à la performance. A l’inverse, une position plus aérodynamique réduit la traînée au
détriment de l’efficacité musculaire. Il existe donc un compromis correspondant à une position optimale, sur un parcours de
contre-la-montre donné, visant à minimiser le temps de parcours tout en respectant les limites physiologiques du cycliste.
Une optimisation structurelle et topologique du prolongateur est ensuite réalisée pour réduire sa masse et adapter la forme du
prolongateur à la position optimale issue du modèle multiphysique. Cette approche permet de minimiser la traînée
aérodynamique et les contraintes mécaniques sur l’objet, tout en respectant l’ergonomie du cycliste.
Les perspectives incluent l’intégration de données environnementales dynamiques (vent, humidité) ainsi que l’optimisation
d’équipements comme les casques ou les vêtements. Cet outil, validé par des principes physiques robustes, ouvre la voie à des
applications en sports d’endurance et en conception de matériel sportif de haute performance.

Abstract

Performance optimization in time-trial cycling has traditionally relied on compartmentalized approaches
(aerodynamics, biomechanics, thermoregulation), without dynamic integration of these parameters. This study presents a
novel multiphysics algorithm, coupling in real time biomechanics, aerodynamics, thermoregulation, and structural mechanics
to optimize a cyclist’s position and the design of a time-trial extension for a given course.
The results reveal strong interactions between the cyclist’s posture, pedal-generated power, aerodynamics, and
thermoregulation. This posture, itself modulated by the position of the extensions, interacts with speed and course profile. A
more upright position on the bike, by increasing the hip angle, enhances muscular power production and improves
thermoregulation through increased convection; however, it is accompanied by higher aerodynamic drag, which is detrimental
to performance. Conversely, a more aerodynamic position reduces drag at the expense of muscular efficiency. There is therefore
a trade-off corresponding to an optimal position for a given time-trial course, aiming to minimize course time while respecting
the cyclist’s physiological limits.
Structural and topological optimization of the extension is then performed to reduce its mass and adapt its shape to the optimal
position derived from the multiphysics model. This approach minimizes aerodynamic drag and mechanical stress on the object,
while respecting the cyclist’s ergonomics.
Future perspectives include the integration of dynamic environmental data (wind, humidity) as well as the optimization of
equipment such as helmets and clothing. This tool, validated by robust physical principles, paves the way for applications in
endurance sports and high-performance sports equipment design.