Le calcul géométrique en modélisation et en CAO nécessite la résolution approchée, et néanmoins certifiée, de systèmes polynomiaux. Nous introduisons de nouveaux algorithmes de sous-division afin de résoudre ce problème fondamental, calculant des développements en fractions continues des coordonnées des solutions. Au delà des exemples concrets, nous fournissons des estimations de la complexité en bits et des bornes dans le modèle de RAM réelle. La difficulté principale de toute méthode de résolution consiste en les points singuliers isolés. Nous utilisons les systèmes locaux inverses et des calculs numériques certifiés afin d'obtenir un critère de certification pour traiter les solutions singulières. Ce faisant, nous sommes en mesure de vérifier l'existence et l'unicité des singularités d'une structure de multiplicité donnée. Nous traitons deux principales applications géométriques. La première: l'approximation des ensembles semi-algébriques plans, apparaît fréquemment dans la résolution de contraintes géométriques. Nous présentons un algorithme efficace pour identifier les composants connexes et pour calculer des approximations polygonales et isotopiques à l'ensemble exact. Dans un deuxième temps, nous présentons un cadre algébrique afin de calculer des diagrammes de Voronoi. Celui-ci sera applicable à tout type de diagramme dans lequel la distance à partir d'un site peut être exprimé par une fonction polynomiale à deux variables (anisotrope, diagramme de puissance etc). Si cela n'est pas possible (par exemple diagramme de Apollonius, VD des ellipses etc), nous étendons la théorie aux distances implicitement données.

The design and analysis of an automotive structure is an important stage of the vehicle design process. The structural characteristics have significant impact on the vehicle performance. During the design process it is necessary to have knowledge about the structural characteristics; however in the preliminary design stages detailed information about the structure is not available. During this period of the design process the structure is often simplified to a representative model that can be analyzed and used as the input for the detailed design process. A vehicle model is developed based on the space frame structures where the frame is the load carrying portion of the structure. Preliminary design analysis is conducted using a static load condition applied to the vehicle as pure bending and pure torsion. The deflections of the vehicle based on these loading conditions are determined using the finite element method which has been implemented in developed software. The structural response, measured as the bending and torsion stiffness, is used to evaluate the structural design. An optimization program is implemented to improve the structural design with the goal of reducing weight while increasing stiffness. Following optimization the model is completed by estimating suitable plate thicknesses using a method of substructure analysis. The output of this process will be an optimized structural model with low weight and high stiffness that is ready for detailed design. / UOIT

Des outils adaptés pour s'attaquer aux problématiques environnementales sont nécessaires mais malheureusement absents de l'industrie. En effet, l'introduction de nouvelles pratiques d'écoconception dans l'industrie des procédés est entravée par le manque de réalisme et de flexibilité des outils associés. Les objectifs principaux de ce travail de recherche étaient le développement d'un outil intégré pour la modélisation de procédés et l'analyse de cycle de vie (PM-LCA), ainsi que la formulation d'une approche méthodologique affiliée pour l'écoconception de procédés. L'outil logiciel et l'approche méthodologique sont appliqués à la production d'eau potable. La revue de la littérature scientifique a permis d'appréhender les efforts de recherche nécessaires. Les principales lignes directrices sont établies en conséquence. L'outil développé, nommé EVALEAU, consiste en une bibliothèque logicielle de modèles de procédés unitaires permettant le calcul d'inventaire de données en fonction de paramètres de procédés. L'outil est embarqué dans le logiciel ACV Umberto® en complément de la base de données Ecoinvent. Une boîte à outils pour l'analyse de sensibilité, basée sur la méthode de Morris, est implémentée pour l'identification des paramètres de procédés ayant une influence majeure sur les résultats d'impacts environnementaux. L'outil EVALEAU est testé sur deux études de cas - deux usines de production d'eau potable existantes. La fiabilité de l'approche est démontrée à travers la comparaison des calculs de qualité de l'eau, de consommations d'énergie et de matériaux avec les données réelles recueillies sur site. Une procédure d'écoconception est expérimentée sur une chaîne de traitement complexe démontrant ainsi la pertinence des résultats de simulations et l'utilité de l'analyse de sensibilité pour un choix optimal des paramètres opératoires. En conséquence, ce premier outil PM-LCA est censé promouvoir l'introduction de pratiques d'écoconception dans l'industrie de l'eau.

Les crises projettent la plupart du temps le décideur sur une durée plus ou moins longue dans l'urgence de la décision, avec l'obligation de minimiser les conséquences possibles sur les enjeux. Une équipe de gestion de crise est organisée en cellule et a pour objectif de construire des stratégies de réponse concertées et appropriées. Or, il s'avère que certaines des compétences nécessaires ne peuvent être acquises que par expérience. Ce travail s'attache ainsi à améliorer les processus de formation des décisionnaires en définissant, suivant quatre étapes, un environnement semi-virtuel de formation à la gestion stratégique de crise. Une phase de conception sert tout d'abord de point de départ au cahier des charges d'une implantation physique, d'une ingénierie système et d'une ingénierie pédagogique dédiées. Puis, une étape de modélisation d'un exercice de gestion de crise structure une méthodologie visant à définir les objectifs pédagogiques retenus, et propose une méthode appliquée de génération semi-automatique d'un scénario didactique. Une attention particulière est notamment portée sur l'élaboration d'une typologie d'évènements et d'éléments logiciels permettant la simulation multi-agents de crises virtualisées. Enfin, une méthodologie d'évaluation des participants est proposée dans le but d'enrichir la phase classique de débriefing. Seize indicateurs sont définis et permettent en particulier de construire des arbres de compétences. Une phase de validation porte sur trois de ces quatre axes méthodologiques, et il est montré que les premiers résultats obtenus tendent à valider les spécifications retenues pour l'environnement semi-virtuel de formation développé.

Le domaine de la vision par ordinateur a atteint un degré de maturité qui lui permet d'envisager, au delà de la mise en oeuvre d'algorithmes utilisés au coup par coup ou dans un asservissement, la construction d'applications complexes intégrant différents aspects (analyse de scène, décision, traitements temps réel, supervision). Cette complexité se répercute à tous les niveaux du cycle de développement de ces applications (conception, implantation et validation). Ce travail propose donc une méthodologie de conception et des outils effectifs pour la mise en oeuvre d'applications de vision temps réel. La méthodologie de conception proposée exige un découpage fonctionnel des traitements en tâches élémentaires, puis l'organisation de ces tâches de manière logique pour construire l'application. Ces tâches élémentaires sont appelées des Tâches Vision. Elles se présentent sous la forme d'une boucle de calculs temps réel, paramétrée, contrôlée de manière logique et pouvant agir sur un capteur visuel. L'environnement Orccad/MaestRo, dédié initialement à la robotique, offre des caractéristiques intéressantes pour satisfaire aux besoins de cette méthodologie. Il offre en particulier des outils formels de validation de la partie liée au controle logique et permet la gestion rigoureuse des aspects temps réel. Afin de tirer le meilleur parti de cet environnement pour le développement d'applications de vision, nous avons dû ajouter ou enrichir certaines de ses fonctionnalités. Les modifications concernent notamment un mécanisme de paramétrage dynamique des calculs, un mécanisme de communication assurant l'interopérabilité du système et un mécanisme de génération automatique d'interfaces de supervision. L'utilisation de cette méthodologie et de l'environnement Orccad étendu est illustrée à l'aide d'un prototype d'application de suivi de cible, dans un contexte d'assistance aux personnes agées.

La simulation numérique de comportement des futurs produits est largement utilisée sur les modèles virtuels de produits avant leur fabrication physique. Cependant, le processus pourrait encore être optimisé en particulier pendant la phase d'optimisation du comportement de produit. Ce processus implique la répétition de quatre étapes principales de traitement : conception de CAO, création de maillage, enrichissement de sémantique par la modélisation du comportement physique et enfin calcul par éléments finis (EF). L'analyse de comportement de produit est effectuée à partir de la première solution de conception puis sur les nombreuses boucles successives d'optimisation de produit. Chaque évaluation de solution nécessite le même volume de temps que celui nécessaire pour la première conception de produit, cela est particulièrement crucial dans le contexte de maintenance de produit et d'évaluation de cycle de vie de produit. Cette thèse propose un nouveau cadre de travail pour l'optimisation de produit à partir de simulation par EF menées successivement sans retour à la CAO initiale du produit, ce qui réduit les activités de préparation de maillages et d'enrichissement sémantique E.F. Plus concrètement, l'idée est d'opérer directement le maillage enrichi par la sémantique E.F pour optimiser le produit. Dans cette thèse, les concepts sous-jacents et les composants conçus pour le développement de ces opérateurs de modification sont présentés et analysés. Une spécification d'opérateur de haut niveau est proposée selon une structure modulaire qui permet ensuite une réalisation facile des différents opérateurs de modification de maillage. Enfin, quatre déclinaisons de cet opérateur de maillage de haut niveau sont présentées: la fusion, la fissuration, le perçage et le congé d'arête. Ces opérateurs ont été prototypés et validés sur des modèles E.F. académiques et industriels, permettant de démontrer leur efficacité et la pertinence de l'approche proposée.

The transportation of oil and gas and their products through the pipelines is a safe and economically efficient way, when compared with other methods of transportation, such as tankers, railroad, trucks, etc. Although pipelines are usually well-designed, during construction and later in service, pipelines are subjected to a variety of risks. Eventually, some sections may experience corrosion which can affect the integrity of pipeline, which poses a risk in high-pressure operations. Specifically, in pipelines with long history of operation, the size and location of the corrosion defects need to be determined so that pressure levels can be kept at safe levels, or alternatively, a decision to repair or replace the pipe section can be made. To make this decision, there are several assessment techniques available to engineers, such as ASME B31G, MB31G, DNV-RP, software code called RSTRENG. These assessment techniques help engineers predict the remaining strength of the wall in a pipe section with a corrosion defect. The corrosion assessment codes in the United States, Canada and Europe are based on ASME-B31G criterion for the evaluation of corrosion defects, established based on full-scale burst experiments on pipes containing longitudinal machined grooves, initially conducted in 1960s. Because actual corrosion defects have more complex geometries than machined grooves, an in-depth study to validate the effectiveness of these techniques is necessary. This study is motivated by this need. The current study was conducted in several stages, starting with the deformation behavior of pipe steels. In Phase 1, true-stress-true plastic strain data from the literature for X42 and X60 steel specimens were used to evaluate how well four commonly used constitutive equations, namely, those developed by Hollomon, Swift, Ludwik and Voce, fit the experimental data. Results showed that all equations provided acceptable fits. For simplicity, the Hollomon equation was selected to be used in the rest of the study. In Phase 2, a preliminary finite element modeling (FEM) study was conducted to compare two failure criteria, stress-based or strain-based, performed better. By using data from the literature for X42 and X60 pipe steels, experimental burst pressure data were compared with predicted burst pressure data, estimated based on the two failure criteria. Based on this preliminary analysis, the stress-based criterion was chosen for further FEM studies. In Phase 3, failure data from real corrosion pits in X52 pipe steels with detailed profiles were used to develop a FEM scheme, which included a simplified representation of the defect. Comparison of actual and predicted burst pressures indicated a good fit, with a coefficient of determination (R2) level of 0.959. In Phase 4, burst pressure levels were estimated for real corrosion pits for the experiments from the same study as in Phase 3, but only with corrosion pit depths and length and without corrosion widths. Widths were estimated from the data used in Phase 3, by using an empirical equation as a function of pit length. There was significant error between experimental and predicted burst pressure. Errors in Phases 3 and 4 were compared statistically. Results showed that there is a statistically significant difference in the error when the width of the corrosion pit is unknown. This finding is significant because none of the assessment techniques in the literature takes width into consideration. Subsequently, a parametric study was performed on three defect geometries from the same study in Phase 3. The pit depths and lengths were held constant but widths were changed systematically. In all cases, the effect of the pit width on burst pressure was confirmed. In Phase 5, the three assessment techniques, ASME B31G, MB31-G and DNV-RP were evaluated by using experimental test results for X52 pipe. Synthetic data for deeper pits were developed by FEM and used along with experimental data in this phase. Two types of the error were distinguished to classify defects. Type I errors (α) and Type II errors (β) were defined using Level 0 evaluation method. Results showed that although ASME B31G is the most conservative technique, it is more reliable for short defects than MB31G and DNV-RP. The least conservative technique was DNV-RP but it yielded β error, i.e., the method predicted a safe operating pressure and pipe section would fail. Therefore, DNV-RP is not recommended for assessment of steel pipes, specifically for X52 pipes.

This thesis presents a new mechanical design for an exoskeleton actuator to power the sagittal plane motion in the human hip. The device uses a DC motor to drive a Scotch yoke mechanism and series elasticity to take advantage of the cyclic nature of human gait and to reduce the maximum power and control requirements of the exoskeleton. The Scotch yoke actuator creates a position-dependent transmission that varies between 4:1 and infinity, with the peak transmission ratio aligned to the peak torque periods of the human gait cycle. Simulation results show that both the peak and average motor torque can be reduced using this mechanism, potentially allowing a less powerful motor to be used. Furthermore, the motor never needs to reverse direction even when the hip joint does. Preliminary testing shows the exoskeleton can provide an assistive torque and is capable of accurate position tracking at speeds covering the range of human walking. This thesis provides a detailed analysis of how the dynamic nature of human walking can be leveraged, how the hip actuator was designed, and shows how the exoskeleton performed during preliminary human trials.

This thesis focuses on the development of a health monitoring system for gearbox transmissions. This was accomplished by developing and understanding a two-stage gearbox computer model that emulates an actual gearbox test rig. The computer model contains actual gearbox geometry, flexible shafts, bearings, gear contact forces, input motor torque, output brake torque, and realistic gearbox imbalance. The gear contact force of each gear stage and the input bearing translational acceleration were the main outputs compared between a healthy gearbox and damaged gearbox computer model. The damage of focus was a fatigue crack on the input pinion gear. A sideband energy ratio comparison yielded the computer simulation accurately modeled the difference between a healthy and damaged gearbox. The next step in this study involved the development of a repeatable procedure to initiate and propagate a fatigue crack at the tooth root in an actual spur gear. A damaged spur gear allows for a future comparison of an actual healthy and damaged gearbox system in the lab. A custom fatigue fixture was designed and manufactured for a Martin S1224BS 1 spur gear. The fatigue crack was initiated by position control fatigue testing which deflects the gear tooth a set amplitude for a number of cycles. Over the length of the test, the load that the tooth can withstand in bending decreases as damage begins to occur. Once the max load on the gear has dropped by a significant percentage (5-15%) a crack has initiated and begun to propagate across the tooth face. The use of a scanning electron microscope confirmed the presence a fatigue crack.

Kongsberg Automotive is developing a brand-new actuator for engaging and disengaging a clutch for different driveline applications. This master thesis research improves the concept design of the shift fork for the new Dog-Clutch Actuator using Design for Manufacturability (DFM). Initially, the knowledge about the mechanism of the product is gained with the aid of the design team and the proper boundary conditions for the boundary value problem are obtained. The conventional die-cast materials are investigated, and appropriate material is selected to create the material model. Most of the traditional HPDC aluminum alloys are aluminum-silicon system; therefore, a detailed study on the nucleation of Silicon in the melt and how it influences the mechanical properties of the alloy is conducted. During gear engagement, the two rotating gears of the dog-clutch collide and synchronize the angular velocity of the hub and the input gear. The synchronization force is dynamic; therefore, explicit time integration is used to capture the system's response with the assistance of FEM software. As the shift fork undergoes cyclic load during the gear shift, the fatigue analysis is performed to evaluate the life (Nf) of the component using Wohler's curve. The value of the maximum principal stress at the critical spots like notch and its direction are determined using the 3D Mohr's circle. In this analysis, the endurance limit correction factors and notch factor (Kf) are used for the S-N curve correction, and Goodman's criteria are used to incorporate the mean stress effect. Fatigue analysis requires a very fine mesh to estimate the precise stress magnitude at the critical locations and, the structural optimization algorithm requires many iterations to determine the optimal layout of the shift fork. Therefore, the explicit integration scheme is not efficient as it will be computationally expensive and time-consuming to solve the problem. Hence, the equivalent static load is determined for the gear shift force at the peak load and used for calculations and product development. As the initial concept design of the shift fork is asymmetrical, it requires varying stiffness in its structure to transfer the force efficiently to the shift sleeve. The FEA results state that one prong of the shift fork experience up to 75% of the total load, which increases the overall stress of the component (up to 0.9Sy). The shift fork also doesn't have adequate torsional stiffness, and as a result, stress concentration has occurred in one of the fillets in the shift fork. The iterative design is set up to improve the design of the shift fork by optimizing the stiffness of the two prongs which provided the key observations that describe the design changes which improved the design. In this phase, the overall stress of the component is reduced by 20% and minimizes the difference in the load between the two prongs by 27.5% compared to the initial design. The shift fork needs to be light to achieve the necessary acceleration during the gear shift. Therefore, topology optimization using the projected subgradient method is implemented to optimize the mass and compliance of the improved design in the iterative design phase. Then the design realization phase is set up to implement the results obtained from the topology optimization to conceptualize the viable product. The optimized result decreased the overall stress and maximum deflection by 20%. It also reduced the load difference in the two prongs of the shift fork by 35% by maintaining the same mass as the initial concept design.