Cette thèse de doctorat présente une étude essentiellement expérimentale de l'instabilité de stick-slip lors du pelage d'adhésifs. Nous avons développé différents dispositifs expérimentaux permettant d'observer directement la dynamique de rupture saccadée du pelage. Les expériences sont réalisées à vitesse imposée dans différentes géométries : l'adhésif est pelé directement depuis son rouleau, ou depuis un substrat plan à angle imposé. D'une part, nous avons mis en évidence d'importants effets dynamiques, que les modèles théoriques actuels ne permettent pas d'expliquer. D'autre part, nous avons montré l'effet crucial de l'angle de pelage sur l'instabilité, qui est fortement réduite (en amplitude et en gamme d'existence) pour de grands angles. De plus, une nouvelle approche théorique, prenant en compte l'inertie du ruban, permet de comprendre en partie ces résultats expérimentaux. Enfin, nous démontrons que l'instabilité de stick slip est multi-échelle, en mettant en évidence la présence d'une instabilité secondaire, à des échelles temporelles et spatiales plus faibles que le stick-slip observé habituellement. Alors que l'instabilité principale est causée par des variations d'énergie élastique d'élongation, cette instabilité secondaire est pilotée par un relâchement de l'énergie de courbure du ruban / This thesis presents a mainly experimental study of the stick-slip instability during the peeling of adhesive tape. We developed different experimental set-ups, allowing us to observe directly the jerky dynamics during peeling. The experiments are conducted at an imposed velocity and different geometries : the adhesive is peeled directly from a roller, or from a flat substrate at a fixed angle. On the one hand, we highlight the existence of strong dynamical effects, which cannot be understood with the existing theoretical models. On the other hand, we show the crucial effect of the peeling angle on the instability, which is strongly reduced at large angles (both its amplitude and range of existence decrease). Besides, a new theoretical approach, taking into account the ribbon inertia, can allow us to understand partially the experimental observations. Finally, we show that the stick-slip instability is multi-scale : a secondary instability can occur at spatial and temporal scales smaller than the usually observed stick-slip. While the main instability is due to variations of the stretching elastic energy, this secondary instability is driven by the release of the bending energy stored in the ribbon

Un nanofil de carbure de silicium encastré à une de ses extrémités permet d'obtenir un résonateur mécanique réalisant un système modèle de poutre vibrante dans des régimes d'oscillation linéaire et non-linéaire. Les faibles masses et raideurs mécaniques des nanofils utilisés donnent lieu à une description des résonateurs où les forces électriques capacitives sont significatives. Si l'accordage en fréquence des résonateurs micro et nanométriques est une propriété usuelle liée aux forces électriques statiques, il sera montré que l'effet du couplage électromécanique dynamique introduit une dissipation associée aux courants électriques résultants de la vibration mécanique. Le rôle central du couplage électromécanique est mis en avant pour l'obtention d'un régime d'auto-oscillation. Lorsque le résonateur est parcouru par un courant d'émission de champ, une mise en vibration spontanée du résonateur autour de sa position d'équilibre est observée. L'introduction d'une excitation électrique alternative permet l'étude d'un régime de synchronisation externe où la dynamique de la phase de l'auto-oscillateur forcé présente un comportement remarquablement riche / When one end of a silicon carbide nanowire is clamped on a support, a mechanical resonator is obtained to achieve a model system of vibrating beam. The low weight and stiffness associated with mechanical dimensions of the micro and nanoscale wires lead to a regime where the capacitive electrical forces are significant for the dynamics of such resonators. If the frequency tuning of micro and nanoscale resonators is a usual property related to the static electrical forces, the effect of electromechanical dynamical coupling will also be considered to introduce a mechanical dissipation associated with electric currents driven by the vibration. The central role of the electromechanical coupling is put forward to obtain a self-oscillation regime. When the resonator is flowed by a field emission current, a spontaneous oscillation of the resonator around its equilibrium position is observed. The introduction of an electrical excitation allows the study of an external synchronization regime where the phase dynamics has a remarkable rich behavior

Learning is a mechanism intrinsic to all sentient biological systems. Despite the diverse range of paradigms that exist, it appears that an artificial system has yet to be developed that can emulate learning with a comparable degree of accuracy or efficiency to the human brain. With the development of new approaches comes the opportunity to reduce this disparity in performance. A model presented by Janson and Marsden [arXiv:1107.0674 (2011)] (Memory foam model) redefines the critical features that an intelligent system should demonstrate. Rather than focussing on the topological constraints of the rigid neuron structure, the emphasis is placed on the on-line, unsupervised, classification, retention and recognition of stimuli. In contrast to traditional AI approaches, the system s memory is not plagued by spurious attractors or the curse of dimensionality. The ability to continuously learn, whilst simultaneously recognising aspects of a stimuli ensures that this model more closely embodies the operations occurring in the brain than many other AI approaches. Here we consider the pertinent deficiencies of classical artificial learning models before introducing and developing this memory foam self-shaping system. As this model is relatively new, its limitations are not yet apparent. These must be established by testing the model in various complex environments. Here we consider its ability to learn and recognize the RGB colours composing cartoons as observed via a web-camera. The self-shaping vector field of the system is shown to adjust its composition to reflect the distribution of three-dimensional inputs. The model builds a memory of its experiences and is shown to recognize unfamiliar colours by locating the most appropriate class with which to associate a stimuli. In addition, we discuss a method to map a three-dimensional RGB input onto a line spectrum of colours. The corresponding reduction of the models dimensions is shown to dramatically improve computational speed, however, the model is then restricted to a much smaller set of representable colours. This models prototype offers a gradient description of recognition, it is evident that a more complex, non-linear alternative may be used to better characterize the classes of the system. It is postulated that non-linear attractors may be utilized to convey the concept of hierarchy that relates the different classes of the system. We relate the dynamics of the van der Pol oscillator to this plastic self-shaping system, first demonstrating the recognition of stimuli with limit cycle trajectories. The location and frequency of each cycle is dependent on the topology of the systems energy potential. For a one-dimensional stimuli the dynamics are restricted to the cycle, the extension of the model to an N dimensional stimuli is approached via the coupling of N oscillators. Here we study systems of up to three mutually coupled oscillators and relate limit cycles, fixed points and quasi-periodic orbits to the recognition of stimuli.

Les phénomènes de contact entre des corps déformables ou entre un corps déformable et une fondation rigide sont des phénomènes omniprésents dans la vie courante. Ces phénomènes peuvent faire appel à des modèles mathématiques sophistiqués qui sont représentés par des systèmes d’équations aux dérivées partielles avec des conditions aux limites décrivant des processus de contact (avec ou sans frottement) complexes. Cependant, la théorie mathématique des problèmes de contact est un domaine d’études très large où de nombreux problèmes restent à investiguer. Le champ d’études de cette thèse concerne aussi bien l’élaboration de nouveaux modèles de contact et frottement que l’analyse mathématique et la résolution numérique des problèmes considérés. Dans ces travaux, notre objectif est d’apporter une contribution à cette théorie mathématique des problèmes de contact. En d’autres termes, l’objet de notre travail de thèse est d’étudier théoriquement et numériquement quelques problèmes de contact entre un corps déformable et une fondation rigide en utilisant plusieurs lois originales de comportement et de contact avec et sans frottement. / Phenomena of contact between deformable bodies or between a deformable body and a rigid foundation abound in everyday life. These phenomena may involve sophisticated mathematical models represented by systems of partial differential equations with boundary conditions describing complex contact processes (with or without friction). However, the mathematical theory of contact problems is a broad field of study where many issues remain to be investigated. The field studies of this thesis concerns, the development of new models of contact and friction as well as the mathematical analysis and numerical solution of the problems considered. In this work, our goal is to make a contribution to this mathematical theory of contact problems. In other words, the purpose of our thesis is to study theoretically and numerically some problems of contact between a deformable body and a rigid foundation using several original constitutive and contact laws with and without friction

To assist in the development of mechanical structures which are subjected to dynamic loads, structural dynamic testing, using a test rig loaded by servo-hydraulic actuators to reproduce operational measured responses in the laboratory, may form an essential element of the development process. The input loads acting on the structure under operational conditions can in most cases not be measured directly, and instead the structural dynamic responses to these loads are recorded. The input forcing functions then need to be determined to effect a simulation of the operational conditions. With this work, a time domain based testing system has been developed to enable the reproduction of service-acquired dynamic responses on any actual full scale structure in the laboratory, taking into account the full multiple axis dynamics of the system. The system is able to determine the input forcing functions in such a way that, when applied to the teststructure, an accurate reproduction of the in-service measured responses are reproduced on the computer controlled laboratory test rig. The test structure is instrumented with suitable transducers which are used to record the structural dynamic response under operational conditions. The test structure is thereafter installed in a servo-hydraulic actuator test rig in the laboratory. The test rig is excited with synthetic random inputs while simultaneously recording the responses to these inputs. Using the experimental input-output data, a dynamic model of the test system is found by using parametric dynamic system identification techniques. By using the service aquired vibration responses together with the dynamic model, the system inputs may be determined. A series of iterations around this first approximation finally provides a high degree of accuracy in the simulation. To prove the integrity of the developed system, it has been applied to a number of case studies using a variety of different engineering structures, and very accurate results were achieved. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 1993. / tm2015 / Mechanical and Aeronautical Engineering / PhD / Unrestricted

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Pressverbindungen gehören zu den klassischen Maschinenelementen und werden insbesondere in der Antriebstechnik häufig eingesetzt. Zur sicheren und zugleich wirtschaftlichen Auslegung derartiger Verbindungen unter zyklischen Lasten fehlen generell gültige sowie abgesicherte normative Vorgaben bzw. Richtlinien für den Anwender. Insbesondere ist dies dann zutreffend, wenn Geometrien vorkommen, für welche keine Tabellen- bzw. Erfahrungswerte existieren. In dieser Arbeit werden ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von Pressverbindungen einer Standardgeometrie vorgestellt. Im Fokus der Untersuchungen steht die Dauer-, Zeit- und Betriebsfestigkeit der biege- sowie torsionsbelasteten Verbindung. Auf Basis der erzielten Festigkeiten und Lebensdauerwerte erfolgt die Ableitung normspezifischer Kennwerte für die Praxis. Weiterhin steht die Übertragung der erzielten Ergebnisse auf andere Pressverbindungs-Geometrien, wie beispielsweise die Verbindung mit Wellenabsatz, im Vordergrund. Hierbei wird das Verhalten hinsichtlich der Kerbwirkung im Vergleich zu gekerbten Wellen sowie zu anderen reibdauerbeanspruchten Verbindungen untersucht. Zudem erfolgt eine ausführliche Analyse simulationsspezifischer Einflussgrößen auf die Beanspruchungshöhe der Pressverbindung. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein neues Auslegungskonzept erarbeitet und an Ergebnissen aus der Literatur gespiegelt.

In der vorliegenden Arbeit wird ein gemischtes Element gegen Locking-Effekte untersucht. Dazu wird ein Fünf-Feld-Hu-Washizu-Funktional (CoFEM-Element) für lineare und quadratische Hexaeder-Elemente unter einer hyperelastischen, isotropen, polykonvexen sowie einer transversal-isotropen Materialformulierung implementiert. Die resultierenden nichtlinearen Gleichungen werden mithilfe eines Mehrebenen-NEWTON-RAPHSON-Verfahren unter Beachtung einer konsistenten Linearisierung gelöst. Als repräsentatives Beispiel der numerischen Untersuchungen dient der einseitig eingespannte Cook-Balken mit einer quadratischen Druckverteilung am Rand. Zur Beurteilung des CoFEM-Elements wird das räumliche Konvergenzverhalten für unterschiedliche Polynomgrade und für verschiedene Netze unter Beachtung der algorithmischen Effizienz untersucht. / This paper presents a mixed finite element formulation of Hu-Washizu type (CoFEM) designed to reduce locking effects with respect to a linear and quadratic approximation in space. We consider a hyperelastic, isotropic, polyconvex material formulation as well as transverse isotropy. The resulting nonlinear algebraic equations are solved with a multilevel NEWTON-RAPHSON method. As a numerical example serves a cook-like cantilever beam with a quadratic distribution of in-plane load on the Neumann boundary. We analyze the spatial convergence with respect to the polynomial degree of the underlying Lagrange polynomials and with respect to the level of mesh refinement in terms of algorithmic efficiency.

Die Nanoindentation ist ein inzwischen etabliertes Verfahren zur Bestimmung der Materialkennwerte Härte und Elastizitätsmodul in kleinen Größendimensionen. Eine zusätzliche Bestimmung der Fließspannung aus solchen Nanoindentationsexperimenten würde deren Einsatzmöglichkeiten deutlich erweitern und zum Beispiel für die Bauteilauslegung kleiner Strukturen, Schichtcharakterisierung und die Beschaffung von Simulationseingangsdaten einen großen Fortschritt bedeuten. Diese Gründe machen das Thema zu einem aktuellen Forschungsgegenstand. In der vorliegenden Arbeit steht deswegen die Bewertung von Fließspannungsbestimmungsverfahren für Massivmaterialien in der Nanoindentation mittels einer Kombination aus Finite-Elemente-Simulationen und umfangreichen Experimentaldaten im Zentrum. Im Speziellen wird dabei das Konzept des effektiv geformten Indenters mit dem erweiterten Hertzschen Ansatz und dessen Anwendung zur Fließspannungsbestimmung aus Eindringversuchen mit selbstähnlichen Berkovichpyramiden betrachtet. Zur Bearbeitung dieser Aufgabenstellung wurden unter anderem drei Referenzverfahren zur Fließspannungsbestimmung (die Expanding cavity-Modelle, das Loading partial unloading-Verfahren und Minidruckversuche) ausführlich charakterisiert. Damit konnten dann im Weiteren belastbare Referenzfließspannungen für die umfangreiche Experimentaldatenbasis zur Verfügung gestellt werden. Außerdem wurden die untersuchten Materialien auf den Einfluss der Größenabhängigkeit der Fließspannungen, den Indentation size effect, hin untersucht. Dabei wurden die vorliegenden physikalischen Vorgänge in den Proben beschrieben, dahingehende Unterschiede bei den betrachteten Referenzverfahren charakterisiert und den Fließspannungswerten die Fließzonendimensionen zugeordnet. Mit den damit zur Verfügung stehenden Informationen konnte das Konzept des effektiv geformten Indenters in seiner Anwendung zur Fließspannungsbestimmung grundlegend bewertet werden. Alle Untersuchungen wurden dabei stets parallel mit Hilfe von Simulations- und Experimentaldaten durchgeführt, um tiefere Einblicke in die zu Grunde liegende Mechanik der Fließprozesse zu gewinnen.

This thesis is based on the implementation of a computational system to numerically simulate the interaction between a fluid and an arbitrary number of rigid bodies. This implementation was performed in a distributed memory parallelization context, which makes the process and its description especially challenging. As a consequence, for the sake of descriptive precision and conceptual clarity, a new formal framework using set theory concepts is developed. The fluid is discretized using a non body-conforming mesh and the boundaries of the bodies are embedded in this mesh. The force that the fluid exerts on a body is determined from the residual of the momentum equations. Conversely, the velocity of the body is imposed as a boundary condition in the fluid. In this context, two new approaches are proposed. To account for the fact that fluid nodes can become solid nodes and vice versa due to the rigid body movement, we have adopted the FMALE approach, which is based on the idea of a virtual movement of the fluid mesh at each time step. A new method of interpolation is adopted inside the FMALE implementation in order to improve the results. The physics of the fluid is described by the incompressible Navier-Stokes equations. These equations are stabilized using a variational multiscale finite element method and solved using a fractional step like scheme at the algebraic level. The incompressible Navier-Stokes solver is a parallel solver based on master-worker strategy. The bodies can have arbitrary shapes and their motions are determined by the Newton-Euler equations. The contacts between bodies are solved using impulses to avoid interpenetrations. The time of impact is determined implementing a dynamic collision detection algorithm. As far as the parallel implementation is concerned, the data of all the bodies are shared by all the subdomains. To track the boundary of the bodies in the fluid mesh, computational geometry tools have been used. / Esta tesis se basa en la implementación de un sistema computacional para simular numéricamente la interacción entre un fluido y un número arbitrario de sólidos rígidos. La implementación se llevó a cabo considerando un ambiente de programación paralelo con memoria distribuida, lo que convierte al proceso y a su descripción en un reto importante. Como consecuencia, para una descripción conceptual clara y precisa, un nuevo marco formal se desarrolló utilizando los conceptos de la teoría de conjuntos. El fluido se discretiza utilizando una malla no conforme donde las mallas de contorno de los sólidos rígidos están embebidas. La fuerza que el fluido ejerce sobre un sólido se determina en base al residuo de las ecuaciones de conservación del momento. En cambio, la velocidad del sólido se impone como una condición de contorno en el fluido. En este contexto, en el marco de los métodos de malla de contorno embebidos, se proponen dos nuevas aproximaciones. Para resolver el problema que se plantea cuando un número dado de nodos que pertenecían al fluido se convierten en nodos que pertenecen al sólido y viceversa debido al propio movimiento de los sólidos, hemos adoptado la aproximación conocida como FMALE, la cual se basa en la idea de un movimiento virtual de la malla que discretiza al fluido a cada paso de tiempo. Un nuevo método de interpolación se implementó dentro del método FMALE para mejorar los resultados obtenidos. La física del fluido se describe mediante las ecuaciones de Navier-Stokes. Estas ecuaciones se estabilizaron utilizando el método variacional multiescala de los elementos finitos y se resolvieron utilizando un esquema similar al de los de paso de tiempo fraccionado. En general, los sólidos pueden tener formas arbitrarias y sus movimientos se describen mediante las ecuaciones de Newton-Euler. Los contactos entre sólidos se resuelven usando impulsos para evitar interpenetraciones. El tiempo de contacto se determina implementando un algoritmo de detección de colisiones dinámico. En paralelo, los datos de todos los sólidos se comparten entre todos los subdominios. Sin embargo, para tratar los contornos de los sólidos dentro de la malla no conforme que discretiza el problema, varias herramientas computaciones han sido usadas para reducir el tiempo de ejecución