Thesis deals with the relation between track geometry and development of long-pitch corrugation in curves of small radii. In the frame of this diploma thesis, measurements of track geometry and measurements of long-pitch corrugation in the sections between Brno - Malomerice and Babice nad Svitavou were carried out. The measured data were processed and evaluated, while individual parameters were compared with each other and their dependencies were searched.

Elastic absorption of kinetic energy and distribution of impact forces are required in many applications. This may be achieved through the use of compliant corrugations. An innovative padding concept is investigated for such applications. Also, recent attention given to the potential for using origami in engineering applications may provide new corrugation configurations that are advantageous for energy absorption and force distribution. This work explores three areas related to these concepts.First, the parameters of a compliant, corrugated padding concept are investigated using Finite Element Analyses (FEA) and physical testing. The shape of the corrugation cross section is explored as well as the wavelength and amplitude by employing a full factorial design of experiments. FEA results are used to choose designs for prototyping and physical testing. The results of the physical testing were consistent with the FEA predictions although the FEA tended to underestimate the peak pressure compared to the physical tests. A performance metric is proposed to compare different padding configurations. The concept shows promise for sports padding applications. It may allow for designs which are smaller, more lightweight, and move better with an athlete than current technologies yet still provide the necessary protective functions.Second, the elastic energy absorbing properties of a particular origami folding pattern, the Miura-ori, is investigated. Analytical models for the kinematics and force-deflection of a unit cell based on two different modes of elastic energy absorption are derived. The models are used to explore the effects of the key geometrical parameters of the tessellation. Physical prototypes are compared to the analytical models.Third, a three-stage strategy is presented for selecting materials for origami-inspired corrugations that can deform to achieve a desired motion without yielding, absorb elastic strain energy, and be light weight or cost effective. Two material indices are derived to meet these requirements based on compliant mechanism theory. Using Finite element analysis, it is shown that the properties of Miura-ori pattern has advantages for energy absorption and force distribution when compared to a triangular wave corrugation. While the focus of these studies is the Miura-ori tessellation, the methods developed can be applied to other tessellated patterns used in energy absorbing or force distribution applications.

L'usure ondulatoire des rails associée aux vibrations de torsion des essieux de métro a été mise en évidence il y a près d'un demi siècle. L'utilisation d'absorbeurs dynamiques comme solution potentielle à ce problème a été suggérée pour la première fois dans le projet américain du TCRP "Rail Corrugation Mitigation in Transit" en 1998. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet européén "Wheel-rail CORRUGATION in Urban transport", a pour objectif de concevoir un absorbeur dynamique et d'étudier son influence sur la réduction de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion. Dans le cadre de ce travail, d'autres types d'usure ondulatoire ont également été traités par des absorbeurs dynamiques. Les trois premiers chapitres de cette thèse sont dédiés à la description des différents types d'usure ondulatoire et à la présentation des méthodes de prédiction. La méthode de dimensionnement des absorbeurs dynamiques est présentée au chapitre 4, ainsi que quelques perspectives de leur efficacité à réduire l'usure ondulatoire. Dans le chapitre 5, un tronçon réel du RER parisien a été étudié. D'une part les prédictions obtenues par différentes méthodes ont été comparées aux mesures sur site. D'autre part, le bénéfice résultant de l'utilisation d'un absorbeur dynamique a été étudié numériquement. Dans le chapitre 6, le cas de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion a été étudié spécifiquement. Un absorbeur dynamique a été développé pour réduire ce type d'usure ondulatoire. Son efficacité a été évaluée théoriquement et numériquement, avec un modèle multi-corps flexible du véhicule et de la voie. Dans le chapitre 7, un absorbeur dynamique visant à réduire les vibrations de torsion d'un essieu de métro à échelle réduite a été construit au laboratoire. Son efficacité a été validée expérimentalement en reproduisant les conditions d'apparition des vibrations de torsion de l'essieu sur le banc d'essais du Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'INRETS. La correspondance entre les prédictions d'usure à échelle réduite et à échelle réelle a été établie. Une demande de brevet a été déposée par le Laboratoire des Structures Actives pour ce système (N° 06120344.4).

Ce mémoire de thèse présente le développement d'un dispositif expérimental spécialement conçu pour l'étude de la diffraction d'atomes rapides et son utilisation pour suivre la croissance de couches minces sur un bâti d'épitaxie. Des études de surfaces de KBr(100) et de NaCl(100) avec ce nouveau dispositif sont présentées. Nous nous sommes intéressés notamment à la forme du potentiel que les atomes perçoivent lorsqu'ils diffusent sur une surface de KBr(100). Nous avons également mis en évidence lors de ces études un nouveau régime de diffraction qui semble correspondre à des mouvements longitudinaux et normaux cohérents. Grâce à des images mieux résolues, nous avons montré comment la diffraction d'atomes rapides permet d'observer et quantifier des défauts topologiques comme la mosaïcité. Une étude d'une surface d'Argent (110) est aussi présentée. Elle a permis d'observer la diffraction d'atomes rapides sur les métaux, montrant ainsi que GIFAD est applicable aux trois types de matériaux (isolants, semi-conducteurs et métaux) et que les processus d'excitations électroniques sur ces surfaces ne détruisent pas complètement la cohérence. Enfin des premiers résultats de GIFAD en tant que technique de suivi de croissance par épitaxie sont présentés dans ce travail.

Ce mémoire de thèse présente le développement d'un dispositif expérimental spécialement conçu pour l'étude de la diffraction d'atomes rapides et son utilisation pour suivre la croissance de couches minces sur un bâti d'épitaxie. Des études de surfaces de KBr(100) et de NaCl(100) avec ce nouveau dispositif sont présentées. Nous nous sommes intéressés notamment à la forme du potentiel que les atomes perçoivent lorsqu'ils diffusent sur une surface de KBr(100). Nous avons également mis en évidence lors de ces études un nouveau régime de diffraction qui semble correspondre à des mouvements longitudinaux et normaux cohérents. Grâce à des images mieux résolues, nous avons montré comment la diffraction d'atomes rapides permet d'observer et quantifier des défauts topologiques comme la mosaïcité. Une étude d'une surface d'Argent (110) est aussi présentée. Elle a permis d'observer la diffraction d'atomes rapides sur les métaux, montrant ainsi que GIFAD est applicable aux trois types de matériaux (isolants, semi-conducteurs et métaux) et que les processus d’excitations électroniques sur ces surfaces ne détruisent pas complètement la cohérence. Enfin des premiers résultats de GIFAD en tant que technique de suivi de croissance par épitaxie sont présentés dans ce travail. / This Ph.D memoir presents the development work of an experimental setup especially designed for the study of the fast atom diffraction and its use as a method to control the thin films growth in an epitaxy chamber. Studies of the surfaces of KBr(100) and NaCl(001) with this new setup are presented. A new diffraction regime which may correspond to coherent longitudinal and normal motions is identified. The enhanced resolution allows observation of topological defects such as the surface mosaicity. A study of the Ag(100) surface is also presented showing that fast atom diffraction can be observed on metal surface as that the inelastic excitations processes do not completely destroy the coherence. Finally, we present the first results obtained with GIFAD as a method to control thin film growth.

<div>The allocated frequency bands for the incoming fifth generation (5G) wireless communication technologies spread broadly from sub 6 GHz to K and potentially W bands. The evolution of the future generations toward higher frequency bands will continue and presents significant challenges in terms of excessive system complexity, production and maintenance costs. Reconfigurable radio architecture with frequency-tunable components is one of the most feasible and cost-effective solutions to meet such challenges. Among these technologies, evanescent-mode (EVA) cavity tunable resonator have demonstrated many of the needed features such as wide tunability, low loss and high linearity. Such a technology typically employs a movable membrane that controls the resonant frequency of a post-loaded cavity. </div><div><br></div><div>The first part of this work focuses on advancing such technology into the mm-wave frequency bands and beyond. Manufacturing tolerance and tuner performance are the two main limiting factors addressed here. This work develops a cost-effective micro-fabrication and package assembly flow which addresses the manufacturing related limitations. On the other hand, introducing micro-corrugated diaphragms and gold-vanadium co-sputtered thin film deposition technology, significantly reduces (4 times) the tuning voltage and enhances tuning stability (7 times). We demonstrate a tunable two-pole band-pass filter (BPF) prototype as the first EVA cavity tunable filter operating in the K-Ka band. </div><div><br></div><div>The second part of this work extensively discusses an optimal RF design flow based on the developed manufacturing technology. It considers all technology constrains and allows the actualization of a high Q transfer function with minimum bandwidth variation within an octave tuning range. Moreover, a new fully passive input/output feeding mechanism that facilitates impedance matching over the entire tuning range is presented. The devised RF methodology is validated through the design and testing of a two-resonator BPF. Measurements demonstrate a tuning range between 20-40 GHz, relative bandwidth of 1.9%-4.7%, and impedance matching over the entire tuning range which is upto 2 times better than previously reported state-of-the-art MEMS tunable filters of this type.</div><div><br></div><div>The third part of this work further advances the technology by proposing the first MEMS-based low-power bi-directional EVA tuning approach that employs both the main bias circuitry as well as a new corrective biasing technique that counteracts viscoelastic memory effects. The two key enabling technologies are extensively discussed: a) a new metal-oxide-metal (MOM) sealed cavity that maintains high quality without requiring complicated metal bonding; and b) a new electrostatic bi-directional MEMS tuner that implements the needed frequency tuning without lowering the resonator quality factor. </div><div><br></div><div>Furthermore, we explore important design and fabrication trade-offs regarding sensitivity to non-ideal effects (residual stress, fabrication imperfections). Measurement of the new prototype bi-directional design, prove that this technology readily corrects residual post-bias displacement of 0.1 um that shifts the frequency by over 1 GHz with less than 2.5 V. It takes over 100 seconds to recover this error in the uni-directional case. This correction does not adversely affect the filter performance.</div>

The rate at which a railway track deteriorates depends on the response of the track under different static and repeated dynamic forces. These wheel/rail forces lead to imperfections in the rail surface and deviation in track geometry alignment. The wheel/rail forces are dependent upon the quality of maintenance of the characteristics of both train and track. If train components such as wheelsets and suspensions are maintained to a high standard, less dynamic forces are generated at the wheel/rail interface and less damage is caused over time. Therefore, the amount and cost of maintenance of track are reduced. However, there is little known about how the characteristics of train components affect time-dependent track degradation. Track degradation through deviation of track from its ideal position has the most effect on maintenance costs. Therefore, the present research aims to investigate this track degradation and improve understanding of the effects of train characteristics (such as train mass and speed, suspension stiffness and damping) on railway tracks. The research is conducted by looking into the relationship between wheel/rail forces and track degradation on one hand and between wheel/rail forces and train characteristics on the other hand, with the objective of assisting in managing vehicle/track interaction in order to minimise track degradation. This aim is achieved by investigating the above two relationships to attain the desired relationship between track degradation and train characteristics. The research focuses on wheel/rail vertical forces (both amplitudes and frequencies), vertical track alignment (longitudinal vertical profile), and rail head defects. The study started by collecting wheel/rail vertical forces data in addition to data on vertical track degradation under sustained traffic loads on a heavy haul railway section of track in Central Queensland. Also, five years of degradation and maintenance history data were collected on three other test sections of railway track under variety of traffic conditions and loads in Central Queensland. There were four main analyses of this data employed to probe the study. The first analysis was performed by examining the track degradation history data. The standard deviation method was used in this first analysis to acquire the rate of deterioration in terms of its relationship to track profile (roughness). The second analysis was accomplished by correlating the vertical wheel/rail forces to both vertical track profile and rail roughness using signal processing principles and a function know as coherence. The third analysis was carried out by using the computer simulation software NUCARS to obtain the link between wheel/rail forces and the deterioration of the vertical track profile. The fourth analysis was achieved by combining the results obtained from the above three analyses to acquire the rate of track deterioration in terms of its relationship to varying train characteristics. The first analysis mentioned above quantified the relationship between the level of roughness of the track and rate at which that roughness deteriorated. An important outcome of this relationship is that there is a threshold of roughness below which track deterioration is minimal. The track maintenance planners can now use that threshold for cost effective targeting of tamping activities. The correlation study between track roughness and wheel/rail forces using the coherence function found, surprisingly, that the overall deterioration of the track roughness, in the absence of frequencies of forces above 30 Hz, is due to the so-called quasi-static lower frequency oscillations of dynamic forces. This conclusion together with the relationship between vehicle characteristics and track forces, established in the analyses above, has significant implications for the design of wagon bogies and for charges track owners might levy on trains using their tracks. This research is part of a larger Rail CRC project 11/4 called 'Enhancing the Optimisation of Maintenance/Renewal' being carried out in the School of Urban Development in Queensland University of Technology.

Depuis plus d'un siècle, l’usure ondulatoire représente un des problèmes de maintenance les plus important pour les réseaux ferroviaires. Celle-ci est à l’origine d’émissions sonores incommodantes pour le voisinage et de vibrations structurelles pouvant réduire la durée de vie des infrastructures et matériels ferroviaires. Ce phénomène périodique présent à la surface des rails est intimement lié à la dynamique du contact roue-rail qui résulte des paramètres régissant le frottement, la dynamique du train et de la voie… Afin de mieux appréhender les conditions menant à l’apparition de l’usure ondulation, un modèle numérique a été proposé pour compenser l’impossibilité d’instrumenter localement et de façon fiable un contact roue-rail dynamiquement. Tout d'abord, un outil approprié a été choisi pour modéliser la dynamique du contact roue-rail afin de reproduire numérique de l’usure ondulatoire des voies rectilignes. Le code d'éléments finis dynamique implicite Abaqus a été choisi pour instrumenter numériquement localement le contact roue-rail. Ainsi, tant l'origine que l'évolution de l’usure ondulatoire dans des phases transitoires (accélération / décélération) sont étudiées. Une étude de sensibilité a été menée pour mettre en évidence la sensibilité de l’usure ondulatoire apparaissant dans des conditions transitoires au passage d’une ou plusieurs roues ainsi que d’un défaut géométrique présent à la surface du rail. Des conditions dynamiques locales d’adhérence-glissement (stick-slip), liées à la dynamique de la roue et du rail couplés par le contact, est identifié comme origine de l’usure ondulatoire des voies rectilignes dans des conditions transitoires. Deuxièmement, les résultats obtenues avec le modèles précédent ont mis en évidence une décroissance de l’amplitude de l’usure ondulatoire reproduire numérique en fonction du nombre de roue passant sur le rail. Ce résultat semble être en contradiction avec les observations de rails réels. Ce problème est lié à la difficulté de gérer la dynamique de contact, et tout particulièrement dans le cas où il y a des impacts locaux, dans les modèles éléments finis classiques tels que ceux implémentés dans Abaqus. Pour palier ce problème, une méthode de masser redistribuée a été implémentée dans Abaqus et utilisée sur le cas précédent. Les résultats montrent un accroissement plus réaliste de l’usure ondulatoire en fonction du nombre de roues. / For more than a century, rail corrugation has been exposed as one of the most serious problems experienced in railway networks. It also comes with a series of problems for maintenance, such as rolling noises and structural vibrations that can reduce lifetime of both train and track. This periodical phenomenon on rail surface is closely linked to wheel-rail contact dynamic, which depends on friction, train dynamics… To better understand corrugation birth conditions, a numerical model is suggested to complement the experimental limitations and to instrument a wheel-rail contact both locally and dynamically. At first, an appropriate tool was chosen to create the dynamic wheel-rail contact model to reproduce straight-track corrugation, also called “short-pitch” corrugation. The implicit dynamic finite element code Abaqus was chosen to investigate the dynamic local contact conditions. Both the origin and the evolution of straight-track corrugation under transient conditions (acceleration / deceleration) are studied. The parametrical sensibility of corrugation is thus investigated both with single/multiple wheel passing(s) and with geometric defect. A stick-slip phenomenon, linked to both wheel and rail dynamics coupled through the contact, is identified as the root of straight-track corrugation under transient conditions. Secondly, results obtained with the previous model have highlighted a quick decrease of corrugation amplitude with the increase of wheel passings over the rail. This last result seems to be in contradiction with reality. This problem comes from the difficulty to reliably manage contact dynamics, and particularly with local impacts, with the use of classical finite element models such as the one implemented in Abaqus. To compensate for this lack, a mass redistribution method is implemented in Abaqus and used with the previous case. The results show a more realistic corrugation growth according to the number of wheel passings.

Ce travail réalisé dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société ALSTOM Transport porte sur l'étude de la dégradation des voies ferrées urbaines. Les composantes de voie retenus pour cette étude sont le rail et la dalle de voie en béton. Concernant le rail, différents problèmes sont abordés : contact roue – rail, usure du rail, usure ondulatoire du rail, et fatigue de contact de roulement (RCF) du rail. Un outil numérique avec des interfaces graphiques, nommé CONUS, est développé pour le problème de contact roue – rail et le problème d'usure du rail. Des théories classiques (Hertz, Kalker, Archard, etc.) sont implantées dans cet outil. La méthode stationnaire est implantée dans un code de calcul par éléments finis pour étudier l'état asymptotique de l'acier du rail sous le chargement répété des trains. Ceci nous permet de prédire les régimes de RCF du rail. La mécanique de l'endommagement est utilisée pour prédire la fatigue du matériau béton. Le formalisme de Marigo couplé avec le modèle d'endommagement de Mazars permet de modéliser la dégradation progressive de la rigidité du matériau sous chargement cyclique. Une campagne d'essais de fatigue du béton en flexion a été réalisée. Elle a pour but de valider le modèle théorique et d'identifier les paramètres du matériau. Le dimensionnement d'une dalle de voie en béton a fait l'objet d'une application de cette méthode. Le modèle de réseau de poutres (lattice model) a été utilisé pour étudier la propagation des fissures dans les structures en béton. Ce modèle a été implanté dans le logiciel de calcul par éléments finis, CESAR-LCPC. Les résultats numériques (propagation de fissures) obtenus pour les structures simples sous chargement statique sont en tout point comparables avec les résultats d'essais expérimentaux. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier la fissuration sous chargement de fatigue. Pour cela un modèle d'endommagement simple modélisant la dégradation des éléments «poutres» s'est avéré suffisant pour décrire la cinématique de propagation des fissures / This work is part of the collaboration between the laboratory Navier (UMR ENPC /IFSTTAR/ CNRS) and ALSTOM Transport company (TGS/Trackway). It focuses on the study of the degradation of urban railways. The components of track considered in this study are the rail and the concrete slab. Regarding the rail, different problems are discussed : wheel – rail contact, rail wear, rail corrugation and rolling contact fatigue (RCF). A numerical tool with graphical interfaces, called CONUS, is developed to predict the behaviour of the wheel - rail contact, the rail wear, and the rail corrugation problems. Classical theories (Hertz, Kalker, Archard, etc...) are implemented in this tool. The stationary method is implemented in a finite element software to study the asymptotic state of the rail steel under repeated loading of trains.The damage mechanics is used to predict the fatigue life of concrete. Marigo's formalism coupled with Mazars' damage model is used to predict the gradual degradation of material stiffness under cyclic loading. A campaign of fatigue tests for concrete in bending was conducted. It aims at validating the theoretical model and identifying material parameters. We applied this method in order to design the concrete slabs of urban railway. The lattice model was used to study the crack propagation in concrete structures. This model was implemented in the finite element software, CESAR-LCPC. The numerical results obtained for simple structures under static loading are consistent with the results of laboratory experiments. This model was then used to study the crack propagation under fatigue loading. For that purpose, a simple damage model of degradation of the "beams" elements describes the kinematics of crack propagation with a satisfying accuracy

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