A lattice material is a cellular structure with a periodic arrangement of cells in either two or three dimensions. Lattice materials are attractive candidates for potential use in a broad range of applications, including battery electrodes, vibration insulators, ultra lightweight sandwich panels, and biomedical implants. This thesis focuses on the design of planar lattices for micro-architectured materials and medical devices. Strength of a lattice material degrades under cyclic loading conditions. In this thesis a computational method based on finite element analysis (FEM) is proposed to analyze and design lattice materials and structures for fatigue failure. A comparison with available experimental data contributes to the validity of the method. The effect of the unit cell's architecture on the fatigue resistance of lattice materials is investigated by considering square and hexagonal shapes of unit cells. A shape optimization methodology based on removing the stress concentration caused by the presence of geometrical discontinuities at the inner boundaries of the lattice cell walls is proposed to improve the fatigue resistance of planar lattice materials. The shape optimization method adapted for the fatigue design of a lattice is applied to design intravascular self-expandable characterized by a periodic arrangement of cells, against fatigue failure. In particular, the aim is to improve the fatigue resistance of Nitinol stent grafts with closed-cell, and to design a stent-like device functioning as a protection for an endovascular oxygenator. A parametric study was carried out to assess the effect of different geometrical parameters on the fatigue resistance and radial stiffness of the generated Nitinol stent lattices. Novel stent-like concepts are proposed to protect and guide the state-of-the art intravenous oxygenator developed by ALung Technologies Inc. (Pittsburgh, PA) in partnership with the University of Pittsburgh. The validity of the proposed concepts in protecting the oxygenator was tested in vitro. The structural behavior of the proposed conceptual designs was studied by using FEM, and the level of blood damage caused by catheter rotation is investigated through CFD analysis. Preliminary numerical and experimental observations suggest that the proposed design can put the oxygenator one step closer to the market. / Un matériau en treillis est une structure cellulaire avec une disposition périodique de cellules en deux ou en trois dimensions. Ces structures sont utilisées dans plusieurs applications, y compris les électrodes de la batterie, isolateurs de vibration, panneaux ultra légers en sandwich et implants biomédicaux. Cette thèse met l'accent sur la conception de réseaux plans pour des matériaux ayant une microarchitecture et pour les dispositifs médicaux. Dans plusieurs applications, la résistance d'un matériau en treillis se dégrade dans les conditions de chargement cycliques. Dans cette thèse une méthode numérique basée sur la mécanique de calcul est proposé afin d'analyser et de concevoir des matériaux et des structures en treillis pour prévenir toute rupture causée par fatigue. Une comparaison avec des données expérimentales contribue à la validité de la méthode. L'effet de l'architecture d'une cellule de cette unité sur la tenue en fatigue des matériaux en treillis est étudiée en tenant compte des formes carrées et hexagonales de cellules unitaires. En outre, une méthodologie d'optimisation de forme fondé sur l'élimination de la concentration du stress causé par la présence de discontinuités géométriques aux frontières intérieures des parois cellulaires en treillis est proposé pour améliorer la résistance à la fatigue des matériaux en treillis planaires. Plusieurs topologies de cellules augmentant la résistance à la fatigue sont proposées pour l'amélioration des matériaux et des structures caractérisées par un arrangement périodique de cellules. Cette méthode d'optimisation de forme adaptée pour la conception de fatigue d'un réseau de cellule est appliquée à la conception intravasculaire d'endoprothèses auto-expansibles et aussi à la conception d'un dispositif fonctionnant comme stent offrant une protection pour un oxygénateur endovasculaire.Une géométrie de la cellule avec une meilleure résistance à la fatigue est proposée pour un réseau planaire pour stent. Une étude paramétrique a été réalisée pour évaluer l'effet des différents paramètres géométriques sur la résistance à la fatigue et la raideur radiale des réseaux générés de stent. Plusieurs concepts nouveau empruntent du stent sont proposées pour protéger et guider un oxygénateur intraveineux mis au point par Technologies Inc. Alung (Pittsburgh, PA), en partenariat avec l'Université de Pittsburgh. La validité des concepts proposés assurant une protection de l'oxygénateur a été testée in vitro. Le comportement de la structure des conceptions proposées conceptuels a été étudié en utilisant la méthode des éléments finis tandis que et le niveau de dommages de sang causé par la rotation du cathéter a était évaluer à travers une modélisation numérique et dynamique des fluides. Les observations numériques et expérimentales suggèrent que la conception proposée mettrait l'oxygénateur un pas de plus vers le marché.

This thesis studies the linear and nonlinear dynamics of pipes conveying fluid. It consists of four peer-reviewed journal papers, three published and one submitted for publication. The aim is to investigate aspects of the dynamical behaviour of extensible and inextensible pipes conveying fluid, both theoretically and experimentally.In particular, (i) the three-dimensional nonlinear dynamics of a pipe conveying fluid, constrained by an array of four springs attached at a point along its length is examined from the theoretical and experimental perspectives; (ii) the three-dimensional dynamical behaviour of a fluid-conveying cantilevered pipe fitted with an end-mass and additional intra-span spring support is investigated, both theoretically and experimentally; (iii) the nonlinear planar dynamics of a cantilevered extensible pipe conveying fluid is investigated theoretically via two different numerical techniques; (iv) the phase-shift along the length of the measuring pipe of a Coriolis mass-flowmeter is developed (and thus mass-flow rate is determined) analytically by means of a perturbation technique and confirmed numerically. In the theoretical analyses, the Galerkin method and Lagrange equations for systems containing non-material volumes are employed to obtain a set of nonlinear second-order ordinary differential equations. These equations are solved by means of Houbolt's finite difference scheme, the pseudo-arclength continuation technique, and direct time integration via a modified Rosenbrock technique. The method of multiple timescales, an approximate analytical technique, is also used to predict the phase-shift along the length of the measuring pipe of a Coriolis mass-flowmeter.A series of experiments were conducted with silicone rubber pipes conveying water, and thereby the theoretical models have been broadly validated. / Cette thèse traite de la dynamique linéaire et non linéaire de tuyaux parcourus par un fluide. Composée de quatre articles scientifiques ayant fait l'objet d'un examen critique, trois publiés dans des revues techniques et un soumis pour publication, l'objectif étant d'étudier certains aspects du comportement dynamique des conduits extensibles et inextensibles transportant du fluide, de manière théorique et expérimentale.En particulier, (i) la dynamique tridimensionnelle non linéaire d'un tuyau de transport de fluide, contraint par un réseau de quatre ressorts attachés entre les deux bouts est examinée d'un point de vue théorique ainsi qu'expérimental; (ii) le comportement dynamique tridimensionnel d'un tuyau aux extrémités encastrées-libres avec une masse additionnelle au bout libre et un support flexible (ressort) supplémentaire, est également étudié; (iii) la dynamique non linéaire plane d'un tuyau extensible encastre-libre transportant du fluide est étudiée théoriquement par deux méthodes numériques différentes; (iv) le calcul du déphasage sur la longueur du conduit de mesure d'un débitmètre à effet Coriolis (et donc, du débit massique) est mis au point analytiquement au moyen d'une technique de perturbation et est confirmé numériquement. Lors des analyses théoriques, la méthode de Galerkin et les équations de Lagrange pour les systèmes contenant des volumes vides sont utilisés pour obtenir un ensemble d'équations différentielles ordinaires non-linéaires du second ordre. Ces équations sont résolues grâce à un schéma de différences finies de Houbolt, la technique de continuation à pseudo-longueur d'arc, et l'intégration temporelle directe par l'intermédiaire d'une technique de Rosenbrock modifiée. La méthode des délais multiples (dite "multiple scale method"), une technique analytique approximative, est également utilisée pour prédire le déphasage le long du tuyau de mesure d'un débitmètre à effet Coriolis.Une série d'expériences ont été réalisées à l'aide de tuyaux en silicone transportant de l'eau afin de pouvoir vérifier de manière concluante la validité des modèles théoriques.

Natural materials are often characterised by a cellular microstructure which allows them to achieve a wide range of mechanical properties. This microarchitecture has provided inspiration for the development of high performance manmade structures and artificial materials. Among cellular solids, lattice materials are a subset characterised by an ordered, periodic, microstructure that can be tailored to achieve specific combinations of stiffness strength and density. This thesis presents a methodology for the derivation of constitutive models for lattice materials. The approach presented here is based on a multiscale mechanics framework. The macroscopic stress-strain relationships of the material are obtained from the microscopic parameters of the lattice. In addition, the internal forces in the lattice elements are calculated as a function of the macroscopic strain. Under the hypothesis of linear behaviour, the method has been applied to evaluate the macroscopic stiffness and strength of a selection of two-dimensional and three-dimensional lattices. Performance comparison among the alternative cell topologies is accomplished using material charts for stiffness, buckling and plastic yielding. The method has also been applied to investigate the linear properties of lattices with multiple hierarchical levels.Non linear constitutive models for lattices have been introduced here for the first time. In particular, these models develop macroscopic stress-strain relationships which capture the effect of geometric non linearity. Applied to hexagonal and triangulated lattices, the models have been demonstrated to effectively capture strain hardening due to reorientation of lattice elements and structural softening due to microscopic buckling of the struts. / Les matériaux naturels sont souvent caractérisés par une microstructure cellulaire qui permet une vaste gamme de propriétés mécaniques. Cette microarchitecture peut être util pour le développement de matériaux et de structures a haute performance. Comme plusieurs matériaux cellulaires, les matériaux en treillis possèdent un sous-ensemble caractérisé par une microstructure ordonnée et périodique, qui peut être adaptée pour cibler des valeurs spécifiques de force, rigidité et densité. Cette thèse présente une méthodologie pour la dérivation de modèles de comportement pour les matériaux en treillis. L'approche suivie ici est basée sur un schéma multi-échelle. Les relations macroscopiques contraintes-déformation des matériaux sont obtenues à partir des paramètres microscopiques du treillis. En outre, les forces internes dans les éléments du treillis sont calculées en fonction des composantes du tenseur des déformations macroscopiques. Dans l'hypothèse d'un comportement linéaire, la méthode a été appliquée pour évaluer la rigidité macroscopique et la résistance de plusieurs matériaux avec des topologies bidimensionnelles et tridimensionnelles. Des cartes des matériaux pour la rigidité, la déformation plastique et le flambage ont été produites afin de permettre une comparaison de topologies cellulaires différentes. La méthode a aussi été appliquée à l'étude des propriétés linéaires des treillis avec plusieurs niveaux hiérarchiques.Des modèles constitutifs non-linéaires pour les matériaux en treillis sont décrits. Ces modèles permettent d'obtenir des relations macroscopiques entre contraintes et déformations qui peuvent capter l'effet de la non-linéarité géométrique. Appliqués aux treillis hexagonaux et triangulés, les modèles capturent l'écrouissage dû à la réorientation des éléments du treillis, et l'adoucissement structural en raison du flambage microscopique des poutres du treillis.

The purpose of this study was to quantify kinetic and kinematic variables in ice hockey forward acceleration tasks as well as to compare two skate models: a regular ice hockey skate (SKATE) and a skate with a modified flexible tendon guard (SKATE FTG). Twelve adult male subjects performed four acceleration trials with each skate model. Strain gauges on the blade permitted direct skate push-off force estimates while body accelerations (forward-backwards) were estimated from a sensor placed on the player's back. The results demonstrated the feasibility to quantify bilateral skating dynamics. In terms of single and double support time, the combined left and right stride estimates approximate 80% and 20% of the skating stride, respectively. Overall, there were no significant differences between skate models in terms of time to complete the skate task or average stride rates. Significant contact time differences between the right SKATE and right SKATE FTG (0.41 vs 0.36s) contributed to greater impulse and power output were observed; however, the opposing effect of air resistance did not permit substantial time improvements over the 54 m skating distance. / Le but de cette étude était de quantifier les variables cinétiques et cinématiques pour une tache de patinage en ligne droite ainsi que de comparer deux modèles de patins: un modèle de patin de hockey conventionnel (SKATE) et un patin avec un protège-tendon souple modifié (SKATE FTG). Douze sujets adultes masculins ont effectué quatre essais d'accélération avec chaque modèle de patin. Les jauges de contrainte sur le support de lame ont permis d'estimer les forces de réaction au sol tandis que les valeurs d'accélérations (accélération et décélération) durant la phase de propulsion ont été estimés à partir d'un capteur placé sur le dos du joueur. Les résultats ont démontré la faisabilité de quantifier les forces dynamiques bilatérales. Les résultats ont confirmés la faisabilité de mesuré les forces dynamiques lors de tâches de patinage sur glace. Les valeurs temporelles de simple et de double-support combinant les patins droit et gauche sont approximativement 80 % et 20% d'une foulée complete. Dans l'ensemble, il n'y avait pas de différences significatives entre les modèles de patins en termes de temps pour compléter la tâche ni de différence entre les fréquences de foulée moyenne. D'importantes différences de temps de contact entre le patin droit SKATE et le patin droit SKATE FTG (0,41 vs 0.36s) ont contribué à une plus grande impulsion et puissance de sortie ont pu être observés, mais l'effet opposé de résistance de l'air n'a pas permis des améliorations substantielles de temps sur la distance de 54 m de patinage.

Out-of-autoclave (OOA) prepreg processing is a new manufacturing method for high performance composites that seeks to reduce costs and increase production flexibility relative to traditional autoclave processing. OOA prepregs may be vacuum bag-only cured in conventional ovens to produce autoclave-quality parts with low void contents. To achieve such quality under vacuum consolidation, OOA prepregs feature dry areas that allow gas evacuation during the early stages of processing but must be subsequently infiltrated with resin. The present thesis describes a four-part investigation into the consolidation of such OOA prepregs, with particular emphasis on flow phenomena and flow-induced defects. First, a novel X-ray computed microtomography approach was successfully used to determine the microstructure of a representative OOA prepreg and track its evolution during processing. The results showed that, initially, the prepreg consisted of dry, micro-porous fibre tow cores surrounded by resin-rich areas and macro-pores, and that two phenomena occurred during processing: the progressive collapse of these macro-pores due to air evacuation at room temperature, and the impregnation of the dry tows at elevated temperature. Second, an analytical model for tow impregnation was developed for three OOA prepregs, and used in a parametric study to evaluate the effect of various material properties and process parameters. The results showed that towimpregnation can successfully occur in a wide variety of cases, but that deviations from ideal situations may lead to incomplete tow impregnation and flow-induced micro-porosity. Third, the effects of cure cycle and out-time on OOA prepreg consolidation were studied experimentally through material characterization, laminate manufacture and microstructural quality analysis. The results demonstrated that out-time had a detrimental effect on resin properties, process phenomena and tow micro-porosity, but that certain cure cycles mitigated or even eliminated such defects. These results were also compared to model predictions, which showed agreement with the observed trends and part quality at low out-times but under-predicted micro-void sizes at very high out-times. Finally, the effects of four deficient consolidation cases (repeated debulks, reduced ambient pressure, reduced vacuum and restricted air evacuation) were studied experimentally by laminate manufacture and final quality evaluation. The results established that reduced ambient pressure, reduced vacuum and restricted air evacuation had specific detrimental effects on consolidation phenomena and on macro- and micro-porosity within the final part, and clarified the allowable extent of such deviations for successful part manufacture. Overall, the thesis contributed to the knowledge on OOA prepreg processing in several ways. First, the key consolidation phenomena that occur during OOA prepreg consolidation were identified. Second, the effect of several material properties, process parameters and deviations from ideal conditions were evaluated to aid process optimization and define the allowable process windows for successful part manufacture. Finally, a new set of experimental and modelling tools were proposed to aid material characterization, process analysis and quality prediction. / La mise-en-forme de pré-imprégnés hors-de-l'autoclave est une nouvelle méthode de fabrication de composites haute-performance qui cherche à réduire les coûts et à augmenter la flexibilité par rapport à la fabrication traditionnelle par l'autoclave. Les pré-imprégnés hors-de-l'autoclave peuvent être mis en forme sous un sac à vide, dans un four conventionnel. Pour limiter la porosité, ils comportent des zones sèches qui permettent l'évacuation de gaz au début de la mise-en-forme et qui doivent ensuite être infiltrées par la résine. Cette thèse présente une investigation en quatre parties de la consolidation de tels pré-imprégnés, avec une emphase particulière sur le phénomène et les défauts induits par d'écoulement.En premier lieu, une nouvelle approche basée sur la microtomographie par rayons X a été utilisée avec succès pour déterminer la microstructure initiale d'un pré-imprégné hors-de-l'autoclave typique et pour suivre son évolution pendant la mise-en-forme. Les résultats ont démontré que, initialement, le pré-imprégné était constitué de noyaux de faisceaux de fibres entourés de zones riches en résine et de macro-pores, et que deux phénomènes ont prit place pendant la mise-en-forme: la disparition progressive des macro-pores due à l'évacuation des gaz à température ambiante, et l'imprégnation des faisceaux à températures élevées. En deuxième lieu, un modèle analytique décrivant l'imprégnation des faisceaux à été développé pour trois pré-imprégnés hors-de-l'autoclave, et utilisé pour une étude paramétrique afin d'évaluer l'effet de plusieurs propriétés des matériaux et paramètres de mise-en-forme. Les résultats ont démontré que l'imprégnation des faisceaux peut avoir lieu dans la majorité des cas, mais que des déviations des situations idéales peuvent causer une imprégnation incomplète et de la microporosité induite par l'écoulement. Ensuite, les effets du cycle de température et du temps d'exposition aux conditions ambiantes ont été étudiés par la caractérisation des matériaux, la fabrication de laminés et l'analyse de leur microstructure. Les résultats ont démontré que le temps d'exposition aux conditions ambiantes a un effet néfaste sur les propriétés de la résine, sur les phénomènes prenant lieu durant la mise-en-forme et sur la micro-porosité dans les faisceaux des pièces fabriquées; toutefois, ils ont aussi démontré que certains cycles de température ont mitigé ou même éliminé ces défauts. Ces résultats ont aussi été comparés aux prédictions du modèle, démontrant que ce dernier a capturé les tendances observées, mais qu'il a sous-prédit la taille des micro-porosités pour les cas d'exposition élevée aux conditions ambiantes. Finalement, les effets de quatre cas de consolidation déficiente (l'application de vide répétée, la pression ambiante réduite, le vide réduit et l'évacuation d'air restreinte) ont été étudiés expérimentalement par la mise-en-forme de laminés et l'évaluation de leur qualité. Les résultats ont établi que la pression ambiante réduite, le vide réduit et l'évacuation d'air restreinte ont des effets néfastes spécifiques sur les phénomènes de consolidation et sur la macro- et micro-porosité dans les pièces fabriquées, et clarifié l'ampleur permissible de telles déficiences pour des laminés d'une qualité acceptable. Globalement, cette thèse a contribué à des plus amples connaissances et une meilleure compréhension de la mise-en-forme de pré-imprégnés hors-de-l'autoclave. Premièrement, les principaux phénomènes prenant lieu pendant ce procédé ont été identifiés. Deuxièmement, les effets de plusieurs propriétés des matériaux, paramètres de mise-en-forme et déviations des conditions idéales ont été évalués afin d'aider à l'optimisation et de définir les fenêtres permissibles de variation pour une mise-en-forme réussie. Finalement, de nouvelles méthodes expérimentales et de modélisation ont été proposées pour aider la caractérisation des matériaux, l'analyse de procédés et la prédiction de qualité.

Stents are widely used in clinical practice today, but high restenosis rates remain a concern. Wall shear stress has been identified as the principal mechanical factor involved in the process of in-stent restenosis. This work focuses on furthering the understanding of the relationship between wall shear stress and hemodynamic compatibility of stents. A novel set of metrics, based on statistical moments, are proposed as a way of quantitatively comparing wall shear stress distributions. It is shown that the proposed metrics have the ability to evaluate hemodynamic compatibility and compare it to a common standard.They constitute an improved way of quantifying hemodynamic performance in comparison to traditional techniques. Additionally, the effects of blood's non-Newtonian nature are explored in the context of calculating wall shear stress within a stented arterial segment under pulsatile flow. It is shown numerically that non-linearity can have a dramatic effect on the overall character of the flow as well as on the morphology of the wall shear stress distribution. Neglecting the non-Newtonian properties of blood can result in an under prediction of wall shear stresses. Furthermore, it is shown that neglecting the pulsatile nature of the flow compounds the effects of non-linearity and can thus induce significant errors. In general the wall shear stress distribution predicted using a non-Newtonian model is significantly higher when compared with the results of a Newtonian model. Finally, a robust experimental system capable of resolving the primary and secondary flow velocities in the near-wall flow region of a stented artery is developed. This experimental system constitutes the first such system toivuse a pulsatile inlet condition and a realistic stent geometry, while still yielding results accurate enough to calculate wall shear stress distributions. Experimental data provided validation for results obtained numerically for the linear case. / Les stents sont souvent utilisés en pratique clinique aujourd'hui, mais les taux de resténoses élevés demeurent une preoccupation. La contrainte de cisaillement pariétale a été identifiée comme le facteur mécanique principal intervenant dans le processus de resténose intra-stent. Ce travail se concentre sur la compréhension de la relation entre la contrainte de cisaillement pariétale et la compatibilité hémodynamique des stents. Un nouvel ensemble de mesures, basées sur les moments statistiques, sont proposés comme moyen pour comparer quantitativement les distributions de contrainte de cisaillement. Il est démontré avec un modèle numérique que les paramètres proposés ont la capacité d'évaluer la compatibilité hémodynamique en les comparant à une norme commune. Cela constitut un moyen de quantifier l'amélioration des performances hémodynamiques par rapport aux techniques traditionnelles. Aussi, les effets non-Newtoniens du sang sont explorés dans le cadre du calcul de la contrainte de cisaillement dans un segment artériel stenté sous flux pulsatile. Il est démontré que la non-linéarité peut avoir un effet dramatique sur le caractère global de la circulation ainsi que sur la morphologie de la contrainte de cisaillement à la paroi. En négligeant les propriétés non-Newtoniennes du sang cela peut entraîner une sous prédiction de cisaillement à la paroi. De plus, il est montré que de négliger la nature pulsatile de la circulation aggrave les effets de la non-linéarité et peuvent donc induire des erreurs importantes sur la contrainte de cisaillement. En général, la répartition des contraintes de cisaillement pariétales prédites par un modèle non-Newtonien est significativement plus élevée en comparaison avec les résultats d'un modèle Newtonien. Enfin, un système expérimental robuste, capable de déterminer les écoulements primaires et secondaires dans une artère stentée est développé. Ce système expérimental constitue le premier du genre à ıncorporer une condition pulsatile et un stent avec une géométrie réaliste. Les résultats expérimentaux sont ensuite utilisés pour valider les modèles présentés pour le cas linéaire.

The development of the wire-mesh wheel of the Apollo Lunar Roving Vehicle was realized through a time consuming trial and error design process, primarily driven by manufacturability and physical testing. Recent wheel development, motivated by renewed interest in lunar surface exploration, utilizes more sophisticated numerical simulation tools. However, many researchers still employ trial and error or parametric approaches to designing the wheels. This thesis proposes a systematic approach to the design optimization of compliant lunar wheels. The problem is decomposed into system and component level analyses. The system level analysis investigates the effect of elastic wheel behaviour on rover and mission performance metrics. This is realized by optimizing concept independent wheel design variables using multi-disciplinary models coupled with optimization algorithms. Wheel concepts are explored by prototyping and physical testing, as well as numerical modelling. The mobility performance metrics of cellular, segmented and iRings wheels are compared to a baseline rubber wheel. In the component level analysis, a multi-objective optimization algorithm is coupled with numerical simulations of wheel-ground interaction to find optimal cellular wheel designs. The effectiveness of the methodology to optimize cellular wheel concepts is verified, and the limitations of the approach examined. Finally, a discussion to extend the proposed methodology to alternative wheel concepts is provided. / Le développement de la roue treillis métallique de l'Apollo Lunar Roving Vehicle a été réalisé par un processus d'essais et d'erreurs. Les récents développements de roues flexibles, motivé par un regain d'intérêt pour l'exploration lunaire, ont maintenant à leur disposition des outils de simulation numérique plus sophistiqués. Cependant, la majorité des chercheurs emploient toujours des méthodes expérimentales ou paramétriques pour développer leurs roues. Cette thèse propose une nouvelle approche systématique pour l'optimisation de concepts de roues lunaires flexibles. Le problème est décomposé en deux analyses se rapportant au niveau du système et celui des composantes. L'analyse au niveau du système étudie l'effet du comportement de la roue élastique sur des mesures de performance lors d'une mission du rover. Ceci est réalisé en optimisant les paramètres décrivant une roue flexible à l'aide de modèles multidisciplinaires. Différents concepts de roues sont explorés à l'aide de prototypes et d'essais physiques, ainsi que de modélisations numériques. La performance de chacun des concepts de roues flexibles cellulaires, iRings et segmentés sont comparées à un pneu standard. L'analyse au niveau des composantes effectue une optimisation multi-objective afin de déterminer, par le biais de simulations numériques, le concept optimal de roues flexibles cellulaires. L'efficacité de la méthodologie pour optimiser la roue cellulaire est ensuite vérifiée et les limites de cette approche sont examinées en détail. Finalement, une discussion sur l'application de la méthodologie proposée à des concepts de roues arbitraires est abordée.

The aerospace research and industry sectors are relying increasingly on numerical simulations to gain insight into aerodynamic flows. However, the complexity of these flows and the broad range of scales they exhibit still represent a serious challenge to the current generation of computational methods. This thesis presents developments to high-order accurate (> 2nd order) schemes aimed at addressing these limitations. The topic is tackled from the perspectives of enhanced resolution and adaptive error-control. Firstly, an extension of the Lifting-Collocation-Penalty (LCP) scheme to spatially-varying polynomial approximations is presented. This formulation is used to perform efficient polynomial-adaptive computations of compressible flows. The focus is put on the adequate inter-cell flux transfer, and stability analysis of the resulting scheme. Secondly, improved error-control via adjoint-driven mesh refinement is demonstrated. The connection between the global error-norm and the truncation error is established through an adjoint problem. This link provides valuable information about error-propagation patterns, and is shown to be useful for adaptive mesh refinement. / La recherche aérospatiale et le secteur industriel font un usage intensif des méthodes de simulations aérodynamiques. Cependant, les écoulements aérodynamiques présentent une grande plage de longueurs caractéristiques, qui constituent un défi de taille pour les méthodes actuelles. Cette thèse présente des avancées dans le domaine des méthodes d'ordre élevé (ordre de précision > 2) visant à contourner ces limitations. Le premier axe concerne le schéma Lifting-Collocation-Penalty (LCP), qui est étendu aux approximations polynomiales variables dans l'espace. Cette formulation est conçue afin de permettre des calculs d'écoulements compressibles avec adaptation polynomiale. Nous discutons le traitement adéquat du transfert des flux numériques et présentons une analyse de stabilité du schéma. Le second axe est consacré au contrôle accru de l'erreur numérique grâce à une nouvelle méthode de raffinement de maillage. En utilisant une formulation adjointe, nous établissons une connexion entre la norme globale de l'erreur et l'erreur de troncature du schéma numérique. Ce lien révèle les mécanismes de propagation d'erreur, dont nous démontrons l'utilité dans le cadre de raffinement automatique de maillage.

The increasing number of satellites and space debris in the Earth orbit has created an urgent need to develop robotic technologies for on-orbit servicing and space debris removal. The system solution investigated in this thesis involves a servicer (base) with an attached robotic manipulator and this system must dock to, or get a hold of the target satellite in order to conduct the required operations. In that context, the problem of post-capture of a tumbling target with unknown inertial properties and angular momentum, by using a space manipulator, is addressed. In particular, a critical aspect investigated is how to maintain minimum coupling between the manipulator-target and the base in order to keep the base attitude unchanged while estimating the unknown properties of the target -- this without the use of attitude control devices. First, the kinematics and dynamics of a free-floating space manipulator are analyzed where particular attention is given to the coupling motion between the arm and the base. Then, the previously developed concept of reactionless manipulation is introduced by presenting the reaction null-space control method, which is unique to free-floating space manipulators.Next, motivated by the reaction null-space control method, a new Adaptive ReactionLess Control algorithm to produce arm motions with minimum disturbance to the base is proposed. The algorithm aims to generate the reactionless manipulation in the presence of uncertainty as a result of capturing an unknown target. In addition, the online momentum-based estimation method is developed for inertia parameters identification, after the space manipulator grasps an unknown tumbling target. The combined control/identification scheme is intended to segue from the instant of capture till the unknown parameters are identified and/or the available stabilization methods can be applied properly. To verify the validity and feasibility of the proposed concept, MSC.Adams/Simulink co-simulation platform is employed to implement a planar base-manipulator-target model as well as the three-dimensional model of the Engineering Test Satellite VII system. The numerical results show that the space manipulator is able to perform reactionless motion while the inertial parameters of the target are identified, for a range of target sizes relative to the base. To make the proposed control scheme practical, a redundancy resolution technique is formulated within the adaptive reactionless control algorithm to integrate a secondary manipulation task, while executing the reactionless motion in the post-capture scenario. In particular, the gradient projection method is employed and implemented to avoid the physical joint limits of the manipulator. The performance of the algorithm is verified through simulations of the two aforementioned models, thus demonstrating that minimum disturbance on the base and joint limits avoidance can be achieved after capture of an unknown tumbling target. Lastly, a preliminary design for a planar test-bed that can serve for experimental validation of the proposed algorithms is presented. The design utilizes an air-bearing table to create a near frictionless surface which would support a base-3-DOF manipulator and a target satellite mock-up. The design includes the dimensioning and sizing of the main components, and selection of actuation, sensing and control hardware. / Une augmentation alarmante du nombre de satellites et de débris orbitaux autour de la Terre a engendré un besoin grandissant de développer des technologies pour l'entretien des satellites en orbite et afin de disposer des débris existants. Cette thèse porte sur une solution constituée d'un satellite de service muni d'un manipulateur robotisé qui lui permet de s'arrimer au satellite ciblé et en maintenir le contrôle afin de compléter les opérations requises. Plus spécifiquement, cette étude porte sur la phase après la saisie d'un satellite culbutant avec un moment angulaire inconnu et ayant des propriétés inertielles inconnues. Un aspect critique à l'étude est le maintien d'un niveau minimal de liens dynamiques entre le satellite capturé et la base du manipulateur afin de préserver son orientation spatiale tout en estimant les propriétés inconnues de la cible, et ce, sans autres systèmes de contrôle d'attitude. Tout d'abord, la cinématique et la dynamique d'un manipulateur en apesanteur sont analysées avec une attention particulière sur les liens mécaniques entre le manipulateur et le satellite de service à sa base. Ensuite, un concept déjà établi pour la manipulation sans réaction est introduit par une méthode de contrôle du noyau de réaction, unique aux manipulateurs spatiaux. Sur cette fondation, une nouvelle méthode de contrôle adaptative et sans-réaction est proposée qui produit des trajectoires de manipulation qui minimise les perturbations à la base. L'algorithme permet de générer ces trajectoires tout en faisant face à l'incertitude quant aux propriétés inconnues de la cible. De plus, une méthode d'estimation en ligne basée sur le moment cinétique est développée pour identifier les paramètres inertiels à la suite de l'arrimage. Ces deux méthodes, de contrôle et d'estimation, peuvent être utilisées de concert jusqu'à l'identification des paramètres inconnus ou jusqu'à ce qu'une méthode de stabilisation puisse être appliquée. Afin de vérifier la validité et la faisabilité de la méthode proposée, une plate-forme de co-simulation entre MSC.Adams et Simulink est utilisée pour simuler un système planaire en plus d'un système tridimensionnel représentant le "Engineering Test Satellite VII". Les résultats démontrent que le manipulateur peut éxécuter des mouvements sans-réactions tout en identifiant les paramètres inertiels, pour un éventail de dimensions du satellite ciblé.Afin de rendre la méthode proposée plus pratique, une technique de résolution des redondances est formulée au sein de l'algorithme de contrôle adaptatif sans-réaction pour permettre d'accomplir une tâche secondaire en simultané. Par exemple, une projection du gradient est utilisée pour éviter les limites physiques du manipulateur. La performance de cette combinaison est vérifiée par des simulations qui démontrent que les perturbations à la base peuvent être minimisées tout en respectant les limites du manipulateur après la saisie d'un satellite culbutant. Finalement, un concept préliminaire pour une plateforme expérimentale planaire est présentée. Cette plateforme crée une surface presque sans friction à l'aide d'une table à coussind'air qui peut supporter un manipulateur à trois degrés de liberté et un satellite-maquette. Ce concept préliminaire inclut les principales dimensions, la sélection des actionneurs, capteurs, et contrôleurs.

Myocardial infarction (MI) is a severe form of heart disease caused by the blockage of coronary arteries. Percutaneous coronary angioplasty of coronary artery bifurcation is associated with complications. The Medina classification is used by physicians to categorize the bifurcation lesions. However, the Medina classification is an anatomical classification which does not discriminate the complex disease. For example, there are reported cases, which are still unexplained, implying that there is anatomically significant appearance of a coronary stenosis in bifurcation disease detected by coronary angiography, intravascular ultrasound measurement (IVUS) and quantitative coronary angiography (QCA) which does not correlate with standard fractional flow reserve (FFR) measurement (Ben-Dor et al. 2011, Koo et al. 2005, Sarno et al. 2009, Meijboom et al. 2008, Ziaee et al. 2004). As another problem, there are some reports that patients may develop clinically significant myocardial ischemia from coronary artery steal (Kosar et al. 2009). The functional state of a patient with stenosis can be determined by coronary flow, pressure and other biomechanical parameters like wall shear stress (WSS). The characterization of physiological flow on the basis of functional and biomechanical parameters is essential to assess the intuitiveness of the Medina classification and to be able to identify the riskier disease to employ the most effective treatment strategy. However, the impacts of the bifurcation angle, location of stenoses and their percentages have not systematically been studied in stenosed bifurcation with respect to a classification scheme. To this end, computational models of normal and stenosed coronary artery bifurcations are developed and physiological flow are studied. The effect of percentage of stenosis, lesion length and location is determined aiming at deriving a functionally base classification scheme that could resolve the above mentioned clinical observations. The results of this work showed that in true bifurcation lesions, the lower blood flow in the Side Branch (SB) creates a critical condition for this branch in bifurcation lesion (1, 0, 1) compared to bifurcation lesions (1, 1, 1) and (0, 1, 1) respectively. It should be noted that bifurcation lesion (1, 0, 1) corresponds to the steal condition. Occlusion of the SB is an important contributing factor in increasing the MI rate. Our results demonstrated that the non-stenotic main branch distal steals flow away from the artery in the presence of a proximal main branch and side branch stenoses. Stenosed bifurcation (1, 0, 1) leads to increase flow disturbance in the SB associated with low WSS. Examination of degree and location of stenoses and the SB angle showed the degrees of stenosis and the plaque location have more effect on the blood flow ratio and WSS distribution. A new classification scheme was proposed to make it functional as a global scheme for the assessment of coronary bifurcation lesions.Treatment of coronary bifurcation lesions is mostly performed by stent implantation. The key in the treatment of bifurcations lesion is the SB. Several stenting techniques are used for bifurcation stenting. Direct comparisons of different strategies and their outcomes remain limited. In this work computational models of normal and stented coronary artery bifurcations are developed and the influence of two stent configurations on alteration of WSS in the stented vessel is studied. Comparison of two stenting techniques showed that the deployment of a stent in the SB results in higher values of WSS distal to the main branch; which may help reduce the development of the restenosis. / L'infarctus du myocarde (IM) est une forme grave de maladie cardiaque causé par l'obstruction des artères coronaires. L'angioplastie coronaire percutanée aux bifurcations coronaires est associée à des complications. La classification Medina est utilisée par les médecins pour catégoriser les lésions avec bifurcation. Toutefois, la classification Medina est une classification anatomique qui ne discrimine pas les maladies complexes. Par exemple, on rapporte des cas qui demeurent inexpliqués, ce qui implique qu'il y a apparence anatomique significative d'une sténose coronaire dans la maladie de bifurcation détectée par la coronarographie, la mesure de l'échographie intravasculaire (IVUS) et l'angiographie coronaire quantitative (QCA) qui ne sont pas corrélées à l'index fraction de flux de réserve (FFR) (Koo et al. 2005, Meijboom et al. 2008, Ziaee et al. 2004). Comme problème, il est rapporté que les patients peuvent developer de l'ischémie myocardique significative en raison du vol coronarien (Kosar et al. 2009). L'état fonctionnel d'un patient présentant une sténose peut être determiné par le débit coronaire, l'hypertension et d'autres paramètres biomécaniques comme la contrainte pariétcale de cisaillement (WSS). L'écoulement physiologique sur la base des paramètres fonctionnels et biomécaniques est indispensable pour évaluer si la classification de Medina est intuitive et être en mesure d'identifier la maladie la plus risquée et l'emploi de la stratégie de traitement la plus efficace. Toutefois, les effets de l'angle de bifurcation, la localisation des sténoses et leurs pourcentages n'ont pas été systématiquement étudiés dans les bifurcations sténosées. À cette fin, les modèles numériques de bifurcations d'artères coronaires normales et sténosées sont développés et les écoulements physiologiques sont étudiés. L'effet du pourcentage de sténose, longueur de la lésion et l'emplacement sont déterminés afin d'obtenir un schéma de base de classification fonctionnelle qui pourrait être en mesure de résoudre les l'observations cliniques mentionnées ci-dessus.Les résultats ont montré que, dans de véritables lésions de bifurcation, la baisse des flux de sang dans la BL (branche latérale) crée un état critique pour cette branche dans les lésions de bifurcation (1, 0, 1) par rapport à des lésions de bifurcation (1, 1, 1) et (0, 1, 1) respectivement. Il est à noter que la lésion de bifurcation (1, 0, 1) correspond à la condition de vol coronarien. L'occlusion de la BL est un facteur important dans l'augmentation du taux d'IM. Nos résultats ont démontré que la branche non sténosée vole une fraction du debit de la BL. Les bifurcation Sténosées de type (1, 0, 1) entrainent une augmentation des perturbations de l'écoulement dans la BL associées à de faibles WSS. L'etude du degré et l'emplacement des sténoses et l'angle de la BL a montré que le degré de sténose et l'emplacement de la plaque ont plus d'effets sur le ratio du débit sanguin et de la distribution WSS. Un nouveau système de classification est proposée pour rendre fonctionnel la methode fonctionnelle globale pour l'évaluation des lésions de bifurcation coronaire.Plusieurs techniques sont utilisées pour la pose d'un stent de bifurcation. Les comparaisons directes des différentes stratégies et leurs résultats restent limités. Dans ce travail, les modèles de calcul d'artères coronaires de bifurcations normales et stentées sont développés et l'influence de deux configurations différentes de stents sur la modification de WSS est étudiée. La comparaison de deux technologies différentes d'endoprothèses a montré que la mise en place d'un troisième stent dans la BL résulte dans des valeurs plus élevées de WSS distales à la branche principale, ce qui peut aider à réduire le développement de la resténose.