The demand for a cost effective site investigation method has resulted in the introduction of various advanced in-situ testing techniques. These techniques utilise modern electronics instrumentation to monitor various soil parameters during site investigation. The data is then processed using high speed, low cost digital computers which allow an accurate and rapid assessment of the conditions of the foundation soil under a proposed construction site. In this thesis, a site investigation tool that drives a coring tube into the ground under a combination of vibration and impact is considered. This machine, called a vibro-impact corer, is fully instrumented to provide penetrometer-type information and a core sample for further inspection in the laboratory. The self-adjusting mechanism inherent in this machine delivers the minimum level of energy required to overcome soil resistance which thereby allows continuous penetration of the coring tube. This mechanism is also results in minimal induced disturbance during the coring process. This thesis investigates use of the vibro-impact corer as a soil classification tool. It involves the design of data analysis software to perform the soil classification procedure. Due to the nature of the system, the resistance monitored through the annular load cell fitted at the tip of the coring tube consists of the dynamic end resistance waveform and the peak magnitude of these waveforms over a sampling period. The vibro-impact soil classification system is based on the distinct self-adjusting mechanism of the machine. The self-adjustment mechanism imparts a different level of impact and vibration as soil conditions change which produces distinct dynamic soil resistance waveforms. In addition, the penetration rate and the magnitude of the soil resistance encountered also varies according to the material being penetrated. These two features are used to form the basis of the soil classification system in this software. The software also includes options for empirical correlation of the results obtained from the vibro-impact penetrometer with the CPT and SPT tests to allow comparison. The vibro-impact soil classification software is designed to be user-friendly. It reads the data files from a Biodata Transient Capture System for the classification process. The output devices such as plotter and printer are used to produce hardcopy records for various data. All the options are menu driven. A two degree freedom simulation of the operational responses of the vibro-impact machine is also included in this thesis. The main objective of this simulation is to study the soil response during vibro-impact mode of driving. This allows a comparison of the simulation soil responses to the model test results to provide an understanding of the soil behaviour under a combination of both vibratory and impact loadings. This thesis presents the results of several laboratory model and full scale vibro-impact penetrometer tests. It concentrates on the main subject of soil classification during the discussions although in some occasions the operational mechanism of the machine is mentioned. The results justify the approaches adopted for the soil classification system using a vibro-impact machine.

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Vibro-impact systems are extensively used in engineering and physics field, such as impact damper, particle accelerator, etc. These systems are most basic elements of many real world applications such as cars and aircrafts. Such vibro-impact systems possess both the continuous characteristics as continuous dynamical systems and discrete characteristics introduced by impacts at the same time. Thus, an appropriately developed discrete mapping system is required for such vibro-impact systems in order to simplify investigation on the complexity of motions. In this dissertation, a few vibro-impact oscillators will be investigated using discrete maps in order to understand the dynamics of vibro-impact systems. Before discussing the nonlinear dynamical phenomena and behaviors of these vibro-impact oscillators, the theory for nonlinear discrete systems will be applied to investigate a two-dimensional discrete system (Henon Map). And the complete dynamics of such a nonlinear discrete dynamical system will be presented using the inversed mapping method. Neimark bifurcations in such a discrete system have also drawn a lot of interest to the author. The Neimark bifurcations in such a system have actually formed a boundary dividing the stable solution of positive and negative maps (inversed mapping). For the first time, one is able to obtain a complete prediction of both stable and unstable solutions in such a discrete dynamical system. And a detailed parameter map will be presented to illustrate how changes of parameters could affect the different solutions in such a system. Then, the theory of discontinuous dynamical systems will be adopted to investigate the vibro-impact dynamics in several vibro-impact systems. First, the bouncing ball dynamics will be analytically discussed using a single discrete map. Different types of motions (periodic and chaotic) will be presented to understand the complex behavior of this simple model. Analytical condition will be expressed using switching phase of the system in order to easily predict stick and grazing motion. After that, a horizontal impact damper model will be studied to show how complex periodic motions could be developed analytically. Complete set of symmetric and asymmetric periodic motions can also be easily predicted using the analytical method. Finally, a Fermi-Accelerator being excited at both ends will be discussed in detail for application. Different types of motions will be thoroughly studied for such a vibro-impact system under both same and different excitations.

Résumé Ce travail de thèse concerne le frottement et la dynamique d’un contact glissant entre deux plans secs et rugueux soumis à une faible charge normale. La vibration normale, et le bruit qui en résulte, sont associés à l’excitation induite au cours du glissement par les deux topographies aléatoires des solides en regard. Des mesures expérimentales de l’accélération verticale d’un patin rugueux soumis à son propre poids et en glissement stationnaire sur une piste rugueuse ont permis d’identifier et de caractériser une transition entre deux régimes : un régime de contact ininterrompu entre les solides à basses vitesses et un régime de sauts pour des vitesses plus élevées. Pour ce dernier, la dynamique est gouvernée par de très nombreux impacts entre aspérités que nous avons caractérisés sur le plan statistique (nombre de chocs, durées entre chocs, forces d’impact, etc.). Ces deux régimes conduisent à des comportements en frottement bien distincts. Une des originalités de cette recherche a été de confirmer les scénarios suggérés par les mesures accélérométriques à l’aide d’une mesure haute fréquence des variations temporelles de la résistance électrique de contact au cours du glissement. En améliorant la résolution temporelle des chocs, ces mesures apportent un éclairage dynamique sur la problématique du contact électrique rugueux. Pour interpréter ces résultats expérimentaux, nous avons revisité le modèle standard du Bouncing Ball. Il décrit une bille soumise à la gravité, et rebondissant sur une table animée d’un mouvement vertical aléatoire, représentatif de l’excitation stochastique induite par les topographies de surfaces en glissement. Nous avons introduit pour la première fois dans le modèle un temps de corrélation pour l’excitation aléatoire et montré son influence sur la dynamique des rebonds. Ce temps de corrélation est directement relié aux longueurs de corrélations des surfaces en contact et à la vitesse de glissement. Ce modèle revisité permet in fine une bonne prédiction de la vitesse de transition entre les deux régimes observés expérimentalement. / This work deals with the friction and dynamics of a sliding contact between two dry and rough surfaces subjected to a low normal load. The normal vibration and the resulting noise are associated with the excitation induced during slip by the random topographies of both solids. Experimental measurements of the vertical acceleration of a rough slider subjected to its own weight and steadily sliding on a rough plate enabled identification and characterization of a transition between two regimes: An uninterrupted contact regime at low speeds and a regime of jumps at higher speeds. For the latter, the dynamics are governed by many impacts between asperities that we have characterized statistically (number of shocks, duration between shocks, impact forces, etc.). These two regimes lead to distinct frictional behaviors. One of the originalities of this research was to confirm the scenarii suggested by the accelerometric measurements through high-frequency monitoring of the temporal evolution of the electrical contact resistance during sliding. By improving the temporal resolution of shocks, these measurements provide a dynamics picture of the problem of rough electrical contact. To interpret these experimental results, we have revisited the standard Bouncing Ball model. It describes a ball subjected to gravity, and bouncing on a table animated by a random vertical motion, representative of the stochastic excitation induced by the topographies of sliding surfaces. We improved the model by introducing a correlation time for the random excitation and showed its influence on the dynamics of the bounces. This correlation time is directly related to the correlation lengths of the surfaces in contact and to the sliding velocity. This revisited model enables a good prediction of the speed at which the transition between the two regimes is observed experimentally.

Dans cette Thèse, la conception robuste avec un modèle incertain d'un système électromécanique avec vibro-impact est fait. Le système électromécanique est constitué d'un chariot, dont le mouvement est excité par un moteur à courant continu et un marteau embarqué dans ce chariot. Le marteau est relié au chariot par un ressort non linéaire et par un amortisseur linéaire, de façon qu'un mouvement relatif existe entre eux. Une barrière flexible linéaire, placé à l'extérieur du chariot limite les mouvements de marteau. En raison du mouvement relatif entre le marteau et la barrière, impacts peuvent se produire entre ces deux éléments. Le modèle du système développé prend en compte l'influence du courant continu moteur dans le comportement dynamique du système. Certains paramètres du système sont incertains, tels comme les coefficients de rigidité et d'amortissement de la barrière flexible. L'objectif de la Thèse est de réaliser une optimisation de ce système électromécanique par rapport aux paramètres de conception afin de maximiser l'impact puissance sous la contrainte que la puissance électrique consommée par le moteur à courant continu est inférieure à une valeur maximale. Pour choisir les paramètres de conception dans le problème d'optimisation, une analyse de sensibilité a été réalisée afin de définir les paramètres du système les plus sensibles. L'optimisation est formulée dans le cadre de la conception robuste en raison de la présence d'incertitudes dans le modèle. Les lois de probabilités liées aux variables aléatoires du problème sont construites en utilisant le Principe du Maximum l'Entropie et les statistiques de la réponse stochastique du système sont calculées en utilisant la méthode de Monte Carlo. L'ensemble d'équations non linéaires sont présentés, et un solveur temporel adapté est développé. Le problème d'optimisation non linéaire stochastique est résolu pour différents niveaux d'incertitudes, et aussi pour le cas déterministe. Les résultats sont différents, ce qui montre l'importance de la modélisation stochastique / In this Thesis, the robust design with an uncertain model of a vibro-impact electromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, an sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling

Dans cette Thèse, la conception robuste avec un modèle incertain d'un système électromécanique avec vibro-impact est fait. Le système électromécanique est constitué d'un chariot, dont le mouvement est excité par un moteur à courant continu et un marteau embarqué dans ce chariot. Le marteau est relié au chariot par un ressort non linéaire et par un amortisseur linéaire, de façon qu'un mouvement relatif existe entre eux. Une barrière flexible linéaire, placé à l'extérieur du chariot limite les mouvements de marteau. En raison du mouvement relatif entre le marteau et la barrière, impacts peuvent se produire entre ces deux éléments. Le modèle du système développé prend en compte l'influence du courant continu moteur dans le comportement dynamique du système. Certains paramètres du système sont incertains, tels comme les coefficients de rigidité et d'amortissement de la barrière flexible. L'objectif de la Thèse est de réaliser une optimisation de ce système électromécanique par rapport aux paramètres de conception afin de maximiser l'impact puissance sous la contrainte que la puissance électrique consommée par le moteur à courant continu est inférieure à une valeur maximale. Pour choisir les paramètres de conception dans le problème d'optimisation, une analyse de sensibilité a été réalisée afin de définir les paramètres du système les plus sensibles. L'optimisation est formulée dans le cadre de la conception robuste en raison de la présence d'incertitudes dans le modèle. Les lois de probabilités liées aux variables aléatoires du problème sont construites en utilisant le Principe du Maximum l'Entropie et les statistiques de la réponse stochastique du système sont calculées en utilisant la méthode de Monte Carlo. L'ensemble d'équations non linéaires sont présentés, et un solveur temporel adapté est développé. Le problème d'optimisation non linéaire stochastique est résolu pour différents niveaux d'incertitudes, et aussi pour le cas déterministe. Les résultats sont différents, ce qui montre l'importance de la modélisation stochastique / In this Thesis, the robust design with an uncertain model of a vibro-impact electromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, an sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling

Cette thèse porte sur la dynamique, normale à l'interface, d'un contact sec en glissement stationnaire entre deux surfaces de topographies aléatoires, soumis à une faible charge normale. Dans ce contexte, le mouvement d'un patin sous son propre poids a été étudié expérimentalement. Des mesures par vibrométrie laser du déplacement et de la vitesse normale du patin ont confirmé que, lorsque la vitesse de glissement augmente, le patin transite entre un régime où le contact est permanent vers un régime dynamique où il subit décollements, chocs et rebonds.À basse vitesse, le mouvement normal résulte d'un filtrage géométrique des topographies. Les caractéristiques statistiques et spectrales de ce mouvement ont pu être décrites. Les influences de la rugosité, de la longueur de corrélation, de la largeur de bande du spectre de rugosité et de l'aire apparente de contact ont été identifiées et analysées. Ces résultats ont pu être reproduits par des modèles numériques, mais aussi analytiques en adaptant la théorie des valeurs extrêmes. Des modèles de type Bouncing Ball, dont l'excitation est supposée donnée par le processus de filtrage géométrique, ont également été mis en place. Ils reproduisent une large gamme d'observations en régime dynamique, de la transition aux vibro-impacts.Pour tester certaines hypothèses des modèles mis en place, un patin multi-voies original a été développé et a permis d'accéder à la localisation spatiale des micro-contacts transitoires entre surfaces antagonistes. On observe que les micro-contacts sont gouvernés par une longueur caractéristique à basse vitesse de glissement et par un temps caractéristique à haute vitesse. Les rotations du patin deviennent importantes à haute vitesse, modifiant la répartition des micro-contacts à la surface du patin. / This PhD thesis addresses the issue of the dynamics, normal to the interface, of a dry steady-sliding contact between two random topographies under weak normal load. In this context, the motion of a slider under its own weight has been studied experimentally. Measurements, using a laser vibrometer, of the normal displacement and velocity of the slider confirm the existence of a transition, as the sliding speed increases, from a regime of permanent contact to a regime of lift-offs, shocks and rebounds.At low speed, the normal motion is due to a geometrical filtering of the topographies, the statistical and spectral properties of which have been described. The roles of the roughness, including its spectral breadth and correlation length, and of the apparent contact area have been identified and analyzed. Those results have been reproduced not only using numerical models, but also using analytical ones based on the extreme value theory. Bouncing-Ball-like models, the excitation of which is assumed to be given by the geometrical filtering, have also been implemented and match with a broad range of experimental observations in dynamical regime, from the transition to vibro-impacts.To test some of the hypothesis of the models, a new experimental multi-channel slider has been designed and has enabled access to the spatial localization of the transient micro-contacts between the antagonists surfaces. It has been shown that micro-contacts are governed by a characteristic length at low sliding speed and by a characteristic time at high speed. The rotational motion of the slider also increases with sliding speed, changing the micro-contact distribution along the surface of the slider.

La motivation industrielle et mécanique du problème sera présentée pour un problème continu: élasticité linéaire avec une contrainte unilatérale. Un système masse-ressort avec un contact unilatéral en découle par discrétisation. Le but de cette thèse est d'étudier ces systèmes à vibro-impact de N degrés de liberté avec un contact unilatéral. Le système résultant est linéaire en l'absence de contact; Il est régi par une loi d'impact autrement. L'auteur identifie les modes non linéaires qui présentent une phase de contact collant pour un modèle à deux degrés de liberté en présence d'un obstacle rigide. L'application de premier retour de Poincaré est un outil fondamental pour étudier la dynamique près de solutions périodiques. Étant donné que la section de Poincaré est un sous-ensemble de l'interface de contact dans l'espace des phases, elle peut être tangente aux orbites pour les contacts rasants et conduire à une singularité en « racine carrée » déjà connue en Mécanique. Cette singularité est revisitée dans un cadre mathématique rigoureux. Elle implique la discontinuité du temps de premier retour. Enfin, l’instabilité des modes linéaire rasants est abordée. / The mechanical motivation is presented for a PDE with a constraint. The purpose of this thesis is to study N degree-of-freedom vibro-impact systems with an unilateral contact. The resulting system is linear in the absence of contact; it is governed by an impact law otherwise. The author identifies some nonlinear modes that display a sticking phase. The First Return Map is a fundamental tool to explore periodic solutions. Since the Poincaré section is a subset of the contact interface in the phase-space, it can be tangent to orbits which yields the well-known square-root singularity. This singularity is here revisited in a rigorous mathematical framework. Moreover, the study of this singularity implies a more important singularity: the discontinuity of the first return time. Finally, the square-root dynamics near the linear grazing modes which may lead to the instability of these linear grazing modes is studied.

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