Nowadays number of UAVs is still increasing. If we want to design their autopilot system, we need a simulation model to test and tune our autopilot design. This thesis is about creating such model fo small fixed wing UAV. This thesis contain information how to create the model, which equations to use and what various parameters mean. One of the possibilities is parameter identification from measured data. In later part of this paper is a small research of this topic and implementation of two of them. Virtual model, which is obtained at the end of this work, accomplished its primary goal and was used to initial autopilot design. Implemented identification methods worked as well, but we didn't succeed in upgrading the model parameters due to the defects during the data measurement.

L’objectif principale de cette thèse est de procéder à une identification paramétrique d’un modèle rhéologique de matériau métallique à chaud en utilisant des données expérimentales issues d’une presse industrielle. Dans le premier chapitre, le principe de l’identification paramétrique est exposé. Des essais de compressions uniaxiale faites sur machine d’essais spécialisés y servent alors comme cas d’étude. Les notions de choix de la fonction-coût, du plan d’expérience et du modèle y sont alors abordées ainsi qu’une analyse de sensibilité. Le chapitre suivant présente l’outillage utilisé pour faire les expériences sur presse. Enfin, une évaluation des échanges thermiques et des frottements que subis la pièce lors de l’essai est faite. Le troisième chapitre se concentre sur l’identification paramétrique proprement dite. Ainsi, des simulations par élément fini de la compression sont faites et comparées aux essais expérimentaux. Les résultats de l’identification sont discutés et comparés à ce que proposait initialement la base de données du logiciel FORGE® ainsi que les paramètres identifiés pour le même matériau au chapitre 1. Une simulation d’une pièce complexe avec ces différents jeux de paramètres est ensuite comparée avec le forgeage réel de cette pièce. Le quatrième chapitre reprend les acquis du troisième en faisant une identification paramétrique pour la rhéologie d’Inconel 625. Une tentative d’identification d’un modèle de microstructure pour l’Inconel à partir d’essais industriel termine ce manuscrit. / The main objective of this thesis is to identify the parameters of a hot metal rheology model by using experimental data from an industrial press. In the first chapter, the principle of parameter identification is exposed. Uniaxial compression testing done on specialized devices serves as a case study. The notions of cost function, experimental design and rheological model are examined. A sensitivity analysis is also performed. The next chapter present the experimental tools used on the industrial press. Finally, the friction and thermal exchange that will happen during the tests are evaluated. The third chapter is about the inverse analysis on industrial press. Finite elements modelling of the compression is made and compared with the experiments. The identification results are then compared with the FORGE® software database and the material parameters found in chapter 1. A complex part is then simulated with these different parameters and compared with a real forging of this part. The fourth chapter uses the same methods as in chapter 3 to perform an identification on the rheological parameters of an Inconel 625. A microstructural model for the Inconel is then identified with industrial testing as reference.

This thesis provides a mathematical framework for the development of efficient control strategies that satisfy the charters of Integrated Pest Management (IPM) which aims to maintain pest population at a low impact level. This mathematical framework is based on a dynamical system approach and comprises the construction of mathematical models, their theoretical study, the development of adequate schemes for numerical solutions and reliable procedures for parameter identification. The first output of this thesis is the construction of trap-insect spatio-temporal models formulated via advection-diffusion-reaction processes. These models were used to simulate numerically trapping to compare with field data. As a result, practical protocols were identified to estimate pest-population size and distribution as well as its dispersal capacity and parameter values related to the attractiveness of the traps. The second major output of this thesis is the prediction of the impact of a specific control method: mating disruption using a female pheromone and trapping. A compartmental model, formulated via a system of ordinary differential equations, was built based on biological and mating behaviour knowledge of the pest. The theoretical analysis of the model yields threshold values for the dosage of the pheromone above which extinction of the population is ensured. The practical relevance of the results obtained in this thesis shows that mathematical modelling is an essential supplement to experiments in optimizing control strategies. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2016. / Mathematics and Applied Mathematics / PhD / Unrestricted

To enhance mechanical and/or electrical properties of composite materials used in additive manufacturing, nanoparticles are often time deposited to form nanocomposite layers. To customize the mechanical and/or electrical properties, the thickness of such nanocomposite layers must be precisely controlled. A thickness model of filter cakes created through a spray assisted vacuum filtration is presented in this paper, to enable the development of advanced thickness controllers. The mass transfer dynamics in the spray atomization and vacuum filtration are studied for the mass of solid particles and mass of water in differential areas, and then the thickness of a filter cake is derived. A two-loop nonlinear constrained optimization approach is used to identify the unknown parameters in the model. Experiments involving depositing carbon nanofibers in a sheet of paper are used to measure the ability of the model to mimic the filtration process.

The natural soils and sedimentary rocks are typically formed by deposition and progressive consolidation of marine sediments. Consequently, they are characterized by the presence of closely spaced bedding planes, resulting in anisotropy in their mechanical behaviour. Among anisotropic rocks, the group of sedimentary rocks known as shales is of a particular interest as it is often the host rock in nuclear waste storage and oil industry. The Tournemire shales are anisotropic in terms of deformability and the failure mode, which means that complex constitutive models should be used to describe their mechanical response. In this thesis a pragmatic methodology based on the notion of a microstructure tensor, as suggested by Pietruszczak and Mroz (2001), has been employed for the description of orientation dependent characteristics of Tournemire shale. This has been combined with a plasticity framework that incorporates an anisotropic deviatoric hardening. The formulation requires identification of several parameters including strength descriptors associated with the failure criterion and constants that are involved in describing the anisotropy and strain hardening. All the material functions/parameters have been identified here based on the experimental results reported by Niandou et al. (1997). Using those parameters, the numerical simulations of a number of triaxial tests were conducted and the results compared with the experimental data in order to verify the performance of the model. After the verification stage, the formulation was incorporated in a commercial FE code (Abaqus/standard) using the UMAT interface and was then applied to a numerical analysis of a tunnel excavation within the anisotropic rock mass. The numerical results, including the distribution of the damage and vertical/horizontal displacements, have been compared for different orientations of the bedding planes. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Aircraft flight test data are processed by optimal estimation programs to estimate the aircraft state trajectory (3 DOF) and to identify the unknown parameters, including constant biases and scale factor of the measurement instrumentation system. The methods applied in processing aircraft flight test data are the iterative extended Kalman filter/smoother and fixed-point smoother (IEKFSFPS) method and the two-step estimator (TSE) method. The models of an aircraft flight dynamic system and measurement instrumentation system are established. The principles of IEKFSFPS and TSE methods are derived and summarized, and their algorithms are programmed with MATLAB codes. Several numerical experiments of flight data processing and parameter identification are carried out by using IEKFSFPS and TSE algorithm programs. Comparison and discussion of the simulation results with the two methods are made. The TSE+IEKFSFPS combination method is presented and proven to be effective and practical. Figures and tables of the results are presented.

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>Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et font actuellement l’objet de nombreuses recherches. Dans le cas d’études des artères, un des objectifs est d’améliorer la compréhension des mécanismes biologiques impliqués dans des maladies comme l’hypertension, l’athérosclérose ou l’anévrisme. Les études mécaniques qui ont été menées s’appuient essentiellement sur des approches expérimentales in vitro, ce qui en limite leur intérêt et application dans le diagnostic clinique. Dans ce travail, un modèle théorique de comportement mécanique 3D de l’artère carotide prenant en compte le caractère hyperélastique, anisotrope, actif, précontraint et dynamique de la structure est proposé. Les mesures expérimentales sont obtenues in vivo sur des carotides communes de rats d’une part, et humaines de manière non invasive, d’autre part. Le problème mécanique aux limites est résolu semi-analytiquement sur un cycle cardiaque, considérant le tissu environnant. Les valeurs optimales des paramètres du modèle, en particulier de ceux décrivant les caractéristiques mécaniques de microconstituants pariétaux (élastine, collagène, muscle lisse), sont évaluées par régression non linéaire. Le modèle proposé permet (i) de reproduire les évolutions de pression luminale mesurées in vivo et (ii) de donner une évaluation des distributions de contraintes pariétales cohérentes avec la physiologie artérielle. Une corrélation entre l’âge des patients et les paramètres décrivant les contraintes résiduelles et les fibres de collagène, montre l’intérêt du modèle théorique et l’originalité de cette approche qui pourra donc être utilisée dans l’étude de pathologies artérielles. / Cardiovascular diseases are the number one cause of death globally and they are currently the subject of many researches. In studies of arteries, one of the aims is to improve understanding in biological mechanisms involved in diseases such as hypertension, atherosclerosis or aneurysm. The mechanical studies that were carried out predominantly rely on in vitro experimental testing, which limit their interest and application in clinical diagnosis. In this work, a theoretical modelling of the 3D carotid artery mechanical behaviour is proposed by assuming a hyperelastic, anisotropic, active, pre-stretched and dynamic wall structure. The experimental measurements were obtained in vivo from rat and human common carotid arteries, with non invasive recordings in the human case. The mechanical boundary value problem is solved semi-analytically over a cardiac cycle by also assuming the surrounding perivascular tissue. The best-fit values of the model parameters are estimated by nonlinear least-squares method, in particular those describing the mechanical characteristics of wall microconstituents (elastin, collagen, smooth muscle). The proposed modelling is able (i) to reconstruct the in vivo dynamic measured intraluminal pressures and (ii) to compute the wall stress fields which seem to be consistent with the arterial physiology. A correlation between patient age and the parameters related to residual stresses and collagen fibres shows the relevance of the theoretical modelling and the originality of the approach which, thereby, would be able to be used in studies of arterial pathological cases.

Ce travail de thèse porte sur une catégorie de matériaux actifs dénommés Elastomères Magnéto-Rhéologiques (EMR). Ces derniers sont composés de particules micrométriques et magnétisables imprégnées dans une matrice élastomère isolante. Il est possible de modifier les propriétés mécaniques de tels matériaux en les soumettant à un champ magnétique externe. Avec pour objectif d’aboutir à une caractérisation couplée (magnéto-mécanique) du comportement des EMRs en grandes déformations et en présence de champs magnétiques élevés, ce travail propose une approche à la fois expérimentale, théorique et numérique.La première partie de ce travail s’intéresse à des aspects expérimentaux où l’influence de la microstructure (isotrope et transverse isotrope) et l’influence de la fraction volumique de particules sont étudiées. Un échantillon dédié est développé afin d’obtenir simultanément des champs mécaniques et magnétiques les plus homogènes possibles dans celui-ci lors d’une caractérisation couplée. La question de l’adhésion interfaciale entre les particules de fer doux et la matrice en silicone est également traitée et il est montré qu’un traitement chimique des particules est nécessaire afin d’éviter toute décohésion avec la matrice lorsque le matériau est soumis à un champ magnétique externe. Avant d’analyser les données obtenues, le dispositif expérimental permettant d’obtenir de manière simultanée une mesure du champ de déformation en trois dimensions et une mesure des champs magnétiques internes, est décrit. Malgré l’ensemble des difficultés expérimentales en grande partie dûes à des phénomènes d’instabilité qui sont omniprésents chez les EMRs, de nombreuses données sont collectées et serviront à la calibration des lois de comportement.La seconde partie de cette thèse couvre la modélisation couplée magnéto-mécanique des EMRs en s’appuyant sur le cadre théorique général des solides magnéto-élastiques proposé par Kankanala, Triantafyllidis et Danas (2004, 2012, 2014). En particulier, la méthode énergétique (qui s’appuie sur l’utilisation d’une fonction d’énergie libre) est préférée et des formulations variationnelles équivalentes (qui diffèrent entre elles simplement par le choix de la variable magnétique indépendante utilisée pour décrire le problème : B, H ou M) sont proposées et implémentées dans des codes numériques 3D s’appuyant sur la méthode des éléments finis. Ces outils numériques sont combinés à la méthode de minimisation des moindres carrés afin d’obtenir l’ensemble des paramètres matériaux du modèle de comportement des EMRs. L’utilisation de simulations numériques est nécessaire car une approche purement analytique ne permettrait pas de modéliser « l’effet de forme » observé expérimentalement. En effet, il est primordial de modéliser ce dernier car dans le cas contraire les paramètres identifiés dépendraient de la forme de l’échantillon expérimental et ne décriraient pas uniquement le matériau.La troisième partie de cette étude décrit en détail l’implémentation numérique des différentes formulations variationnelles proposées précédemment. Dans chacun des cas, il est prouvé que l’utilisation d’éléments isoparamétriques est bien adaptée. De nombreuses difficultés numériques ont été observées dans le cas des formulations variationnelles utilisant le champ de déplacement et le potentiel vecteur magnétique comme variables indépendantes. L’ensemble de ces difficultés (comme par exemple la minimisation de l’énergie potentielle sous la contrainte imposée par la jauge de Coulomb) est surmonté dans ce travail. Avant de décrire les différents problèmes tests utilisés pour s’assurer de la validité et de la précision des codes numériques, les différentes étapes nécessaires à la simulation d’un problème aux limites sont expliquées. Plus précisément, les questions liées aux spécificités des conditions aux limites à appliquer sur le potentiel vecteur magnétique ou encore aux conditions de symétries, sont traitées. / In this thesis, we study a class of “active materials” called Magnetorheological elastomers (MRE) which are ferromagnetic impregnated rubbers whose mechanical properties are altered by the application of external magnetic fields. With the purpose of characterizing the behavior of MREs up to large strains and high magnetic fields, this work brings a completely novel experimental, theoretical and numerical approach.The first part of this study focuses on an experimental investigation of MRE where multiple microstructures (isotropic and transversely isotropic materials) and multiple particles’ volume fraction are tested. A special sample geometry is designed in order to increase the uniformity of internal magnetic and mechanical fields measured during coupled-field experiments. The interfacial adhesion between the iron fillers and the silicone matrix is investigated and we show that when specimens are subjected to external magnetic fields, a silane primer treatment of the particles is needed to prevent debonding at the interface particle/matrix. Then, we present the magneto-mechanical testing setup that allows simultaneous 3D mechanical and magnetic measurements before discussing the results. Even if is found that instabilities are ubiquitous in MREs, lots of useful data are collected and will be used to compute the parameters proposed in the material model.The second part of the thesis is dedicated to the modeling of isotropic MREs. The continuum description proposed by Kankanala, Triantafyllidis and Danas (2004, 2012, 2014) to derive constitutive laws that account for finite strains is used and, in particular, the energetic approach (that requires an energy density function) is chosen. Multiple equivalent variational formulation alternatives (based on different choices of the independent magnetic variable used in the energy function: B, H or M) are given and implemented into 3D finite element (FEM) codes. Based on the use of FEM simulation in combination with least square optimization methods, the previously collected experimental data are fitted and all three energy functions ψB , ψH and ψM are computed. The obtained material model proves to have excellent predictive capabilities when compared to other experiments not used in the fitting process. The use of numerical tools is necessary to make sure that the calculated material parameters are not influenced by the shape of experimental specimens.The last part of this work details the numerical implementation of the different variational formulations. For each one of them, it is found that isoparametric elements are well suited to simulate coupled magneto-mechanical boundary value problems. We show that special care is needed when implementing variational formulations using the displacement vector and the magnetic vector potential as independent variables. Indeed, ensuring the uniqueness of the vector potential requires to numerically enforce the Coulomb gauge, which leads to numerical complications that are addressed in this thesis. Before describing the different patch tests that have been considered to validate the numerical codes, we show which are the valid boundary conditions for the magnetic vector potential and how to use the symmetry properties of a given boundary value problem to reduce its complexity and the computational resources needed to solve it.