Successful mission of a satellite depends on maintaining a fixed orientation with respect to the Earth. However, the attitude angles of a satellite can be perturbed because of various natural disturbance sources, such as the Earth's gravity gradient, solar radiation pressure, and the Earth's magnetic field. Modeling the attitude dynamics and developing a controller to stabilize the attitude motion are quite important steps in the design of satellites. Although several actuators exist to control the attitude motion, a novel type considered in the thesis, shows promise of producing a high torque to mass ratio. This potential justifies the in-depth study reported. The novel actuator in question consists of a ring containing fluid, whose flow is regulated by a pump. The control torque is produced due to the variation of the angular velocity of the fluid. In this thesis, first, a redundant actuator system composed of four fluid rings in a pyramidal configuration is studied. The dynamical model of the system is developed for a satellite travelling either in a circular or an elliptical orbit. The dynamical analysis of this system leads to an underdetermined system of nonlinear differential equations, whose solution without considering the control input (the torque produced by the pump pressure) shows that the fluid rings can damp out the attitude disturbances of a satellite in a circular orbit and the roll-yaw disturbances in an elliptical orbit. However, this passive damping effect is fairly slow; an active controller is hence designed in the next step. The effect of the failure of one fluid ring on the performance of the attitude control subsystem (ACS) of a satellite is also studied. It is observed that even in the case of failure of one fluid ring, the satellite can be stabilized by slight modification of the active controller. Later, a sliding mode controller is designed to cope with the uncertainties existing in the fluid model and in other parameters of the system. Although the results achieved are quite satisfactory, the chattering that exists in the steady response of the system is not desirable; hence a switching controller consisting of a sliding mode and a PID control law is designed to eliminate this chattering effect. Next, the theoretical results obtained are validated by conducting several experiments. Although the experimental results confirm the theory developed in this thesis, the large torque-to-mass ratio expected is revealed to be only possible at the cost of a quite high input voltage to the pumps regulating the flow. Therefore, two novel applications of fluid rings are proposed: as an actuator for spin stabilized satellites, or as an auxiliary actuator in satellites with magnetic torquers.Using fluid rings in spin stabilized satellites is proposed in the thesis, as an alternative to the commonly used micro-thrusters. Here, two fluid rings are mounted on the satellite while their axes of symmetry are aligned with the roll and yaw axes. To examine the feasibility and performance, a dynamical model of this spinning satellite with two fluid rings is developed. A controller is then designed to stabilize the attitude motion of this satellite.The second novel actuator system developed here consists in using fluid rings as complementary actuators in satellites with two magnetic torquers. The dynamical model is formulated, and a controller is designed to investigate the performance of this system. The simulation of the system without the fluid ring shows that the satellite attitude can be stabilized by using only two magnetic torquers, however, slowly. Upon adding the active fluid ring actuator to the system, the stabilization time is reduced by a factor of 10. The failure of the fluid ring and each magnetic torquer is also studied. / La réussite d'une mission d'un satellite dépend du maintien d'une orientation fixe par rapport à la Terre. Toutefois, les angles d'attitude d'un satellite changent en raison d'excitations diverses. Un modèle dynamique est utile pour prédire l'attitude du satellite le développement un contrôleur pour stabiliser l'attitude est également importantes. Un nouvel actionneur pour le contrôle de l'attitude est proposé dans cette thèse. L'actionneur fluidique produit un couple élevé par rapport à la masse. L'actionneur en question se compose d'un anneau rempli par un fluide. L'écoulement de ce fluide est régulé par une pompe. Le couple de commande est produit par la variation du moment cinétique du fluide.Un système d'actionnement redondant composé de quatre anneaux de fluide dans une configuration pyramidale est d'abord étudié. Le modèle dynamique du système est développé pour un satellite voyageant dans une orbite circulaire ou elliptique. L'analyse dynamique de ce système mène à un système sous-déterminé d'équations différentielles non-linéaires. La solution, sans tenir compte du couple produit par le contrôleur, montre que les anneaux de fluide peuvent agir comme régulateurs passifs, ce qui amortit les perturbations d'attitude d'un satellite sur une orbite circulaire et les perturbations en roulis-lacet selon une orbite elliptique. Cependant, cet effet d'amortissement passif est assez lent. Par conséquent, le contrôleur actif fut conçu. Les résultats obtenus montrent que les angles d'attitude du satellite sont stabilisés rapidement. De plus, l'effet de la défaillance d'un anneau liquide sur la performance du sous-système de contrôle d'attitude (SCA) du satellite est étudié. On constate que, même dans le cas de défaillance d'un anneau de fluide, le satellite peut être stabilisé par la modification du contrôleur actif. En raison des limites de ressources de calcul dans les applications spatiales, un modèle simple de l'écoulement du fluide est adopté ici. Un contrôleur au mode glissant est donc conçu pour être robuste aux incertitudes dans le modèle hydraulique et dans les paramètres du système.Les résultats théoriques sont validés expérimentalement. Bien que les résultats expérimentaux confirment la théorie développée dans cette thèse, le grand couple à rapport de masse nécessite un coût de tension d'entrée très élevé pour les pompes de régulation du débit. Par conséquent, deux nouvelles applications d'anneaux de fluide sont proposées dans cette thèse: comme actionneur pour les satellites stabilisés de spin, ou comme actionneur auxiliaire avec magnéto-coupleurs.L'utilisation des anneaux de liquide dans les satellites stabilisés par rotation est le premier champ d'application proposé comme une alternative aux courants micro-propulseurs. Dans ce système, deux anneaux de fluide sont montés sur le satellite alors que leurs axes de symétrie sont alignés avec les directions de roulis et de lacet. Pour vérifier la faisabilité et la performance, un modèle dynamique de ce satellite en rotation avec deux anneaux de fluide est développé. Ensuite un contrôleur modifié est conçu pour stabiliser l'attitude du satellite. Le deuxième système d'actionneur est développé en utilisant les anneaux de fluide comme actionneurs complémentaires dans les satellites avec magnéto-coupleurs. Un modèle dynamique est développé, et un contrôleur est également conçu pour étudier la performance de ce système. Le système est d'abord examiné sans l'utilisation de l'anneau de fluide. Les résultats montrent que le satellite est stabilisé par seulement deux magnéto-coupleurs, mais lentement. Après l'ajout de l'actionneur actif de l'anneau de fluide dans le système, le temps de stabilisation est réduit par un facteur de dix. L'échec de l'anneau de fluide et de chaque couple magnétique sont testés.

Many techniques have been developed for the purpose of analyzing and evaluating mechanical systems for the purpose of improving design and control. Such work is not necessarily applicable to mobile rovers, since the wheel-ground contact, which does not exist for fixed-base systems, plays a critical role in the behaviour. This thesis investigates important concepts related to analyzing rovers. In initial investigations of existing methods, it was found that current numerical simulation tools can efficiently model rovers, but are often limited to forward dynamics simulations, and are not suitable for more in-depth analyses. Additional investigations were performed to determine which contact models could be used, and it was found that wheel--ground behaviour was best captured using terramechanics-based models. Several concepts relating to defining mobility were investigated, and two new measures were proposed (maximum net traction force, and accelerability), which were found to provide useful, real-time indications of a rover's capability. A novel method was proposed for analyzing the mass matrix of a mechanical system and four concepts were presented that provide information relating to the effective masses and dynamic coupling of a mechanism: locked effective inertia, force coupling, free effective inertia, and acceleration coupling. Finally, the operational space formulation, an important concept primarily used in the field of manipulators, was investigated and extended to be used with rovers. It was found to be a useful method of evaluating and controlling rovers with the appropriate selection of the operational space representation. / Beaucoup de techniques ont été développées pour l'analyse et l'étude des systèmes mécaniques. Puisque la modélisation des interactions entre les roues et le sol est essentielle pour la modélisation du comportement des robots mobiles, les travaux portant sur des systèmes fixes ne sont pas a priori applicables aux robots mobiles. Cette thèse porte sur des concepts importants pour l'analyse de robots mobiles. Les premières évaluations des techniques actuelles de simulation numériques ont montré que, si elles pouvaient modéliser précisément des robots mobiles, elles ne pouvaient souvent que simuler la dynamique et étaient insuffisantes pour des analyses plus poussées. Les recherches ont ensuite montré que les modèles utilisant la dynamique des sols étaient les mieux adaptés pour la modélisation des interactions entre les roues et le sol. Après avoir étudié plusieurs concepts utilisés pour caractériser la mobilité, deux nouvelles mesures ont été proposées (la force maximale nette de traction, et le potentiel d'accélération) qui se sont révélés utiles pour fournir en temps réel des indications sur les capacités d'un robot mobile. Une nouvelle méthode a été proposée pour l'analyse de la matrice des masses d'un système mécanique ainsi que quatre concepts apportant des renseignements sur les masses effectives et le couplage dynamique d'un mécanisme: l'inertie effective verrouillée, le couplage de forces, l'inertie effective libre, et le couplage de l'accélération. Enfin, la formulation de l'espace opérationnel, qui est principalement utilisé dans le domaine des manipulateurs, a été étudié et étendu au domaine de la robotique mobile. Il a été constaté l'utilité de représentations appropriées et spécifiques de l'espace opérationnel pour le contrôle et l'estimation du mouvement de robots mobiles.

The laminar flame speed is an essential flame parameter for both chemical kinetic mechanism validation and turbulent combustion studies. Kerosene-derived jet fuel flame speeds, however, are largely unknown and due to complex composition of the fuels themselves they cannot be modelled numerically. To overcome this limitation surrogate fuels and blends are used to reproduce the same flame speed of amore complex mixture. To accomplish this for aviation fuel, a database is created of four potential jet fuel surrogate components for laminar flame speed. The neat hydrocarbon surrogates investigated are n-dodecane and n-decane, methylcyclohex-ane, and toluene, which represent the alkane, cycloalkane, and aromatic components of conventional aviation fuel, respectively. Several blends of these surrogate fuels are tested experimentally and numerically to validate the effect of blend composition on flame speed. The database is then used to develop a blend to match the flame speeds of a commercial aviation fuel, Jet A-1. Unlike previous investigations of flame propagation, in this study, numerical simulations are directly compared to velocity profile measurements in laminar stagnation flames to extrapolate to a condition of zero flame stretch. Numerical simulations of each experiment are obtained using the CHEMKIN-PRO software package and the JetSurF 2.0 mechanism with accurate specification of all necessary boundary conditions from experimental measurements. The advantage of this technique is that the extrapolation to the unstretched condition is independent of the how well the mechanism predicts reactivity. Therefore, JetSurF 2.0 was simultaneously validated for each of the surrogate fuels and blends in a previously unused manner. The mechanism showed relatively good agreement for the n-alkane and cycloalkane fuels for which it was optimized for, while consistently under predicted the reactivity of toluene. The compiled database of jet fuel surrogate components allowed for five different potential surrogate mixtures to be developed. Experimental results of these blends suggest that although jet fuel is a very complex mixture a simple surrogate mixture consisting of 73% n-decane and 27% toluene byvolume appropriately matches the flame speed of Jet A-1. Numerical results using JetSurF 2.0 suggest that a 63% n-decane and 37% toluene by volume blend is the most appropriate surrogate and this was used to extrapolate the experimental JetA-1 results and determine its laminar flame speed. / La vitesse laminaire de flamme est un paramètre essentiel, autant pour la validation de mécanismes de cinétique chimique de flamme, que pour l'étude de la combustion turbulente. Toutefois, les vitesses de flamme des carburants d'aviations, dérivés du kérosène, sont en grande partie inconnues, et, en raison de leur composition complexe, ces carburants ne peuvent être modélisés numériquement. Pour surmonter cette lacune, des combustibles de substitution et des mélanges sont utilisés pour reproduire la vitesse de flamme d'un mélange plus complexe. Pour accomplir cela pour le carburant d'aviation, une base de données pour la vitesse de flamme laminaire est créée partir de quatre composants de substitution potentiels. Les hydrocarbures de substitution étudiés sont le n-dodécane et le n-décane, le méthylcyclohexane, et le toluène, qui représentent l'alcane, le cycloalcane, et les composants aromatiques du carburant d'aviation conventionnel, respectivement. Plusieurs mélanges de carburants de substitution sont testés expérimentalement et numériquement pour valider l'effet de la composition du mélange sur la vitesse de flamme. La base de données est ensuite utilisée pour élaborer un mélange ayant des vitesses de flamme correspondant au carburant commercial d'aviation Jet A-1. Contrairement aux études précédentes sur la propagation des flammes, dans la présente étude, des simulations numériques sont compaées directement des mesures de profil de vitesse de flammes laminaires de stagnation, afin d'extrapoler les résultats une condition de zéro étirement de la flamme. Les simulations numériques pour chaque expérience sont obtenues en utilisant le logiciel CHEMKIN-PRO et le mécanisme de cinétique JetSurF 2.0, en spécifiant précisément toutes les conditions limites partir des mesures expérimentales. L'avantage de cette technique est que l'extrapolation l'état non étiré est indépendante de la prédiction de réactivité inhérente au mécanisme utilisé. Par conséquent, JetSurF 2.0 était simultanément validé pour chacun des carburants de substitution et chacun des mélanges en utilisant cette mréthode innovatrice. Le mrécanisme a montrré une concordance relativement bonne pour les carburants n-alcanes et cycloalcanes, pour lesquels il a étré optimisé, tandis quil a constamment sous-prédit la réactivité du toluène. La base de données compilée pour les composants de substitution du carburant daviation a permis de développer cinq différents mélanges de substituts potentiels. Les résultats expérimentaux de ces mélanges suggèrent que, bien que le kérosène soit un mélange très complexe, un simple mrélange composé 73% de n-décane et 27% de toluène, en volume, reproduit la vitesse de flamme du Jet A-1 de manière appropriée. Les résultats numériques utilisant JetSurF 2,0 suggèrent que de 63% n-décane et 37% de toluène par un mrélange de volume est le substitut le plus approprié et cela a été utilisé pour extrapoler le Jet A-1 expérimentale des résultats et de déterminer sa vitesse de flamme laminaire.

A slag optimization model is the first objective of this thesis. The importance of slag has been very well understood by the steelmaking industry to produce cost effective, quality steel, where the slag phase has become an essential part of steel making process. The composition and properties of slag play an important role in protecting furnace refractories. The research focused on the development of a slag model to have optimum slag saturated with MgO for better refractory life. A computer model was developed to calculate minimum MgO required during the ladle refining process. The effect of the desulfurization process on optical basicity and MgO requirement is discussed. The plant data at Arcelormittal Contrecoeur West were used to compare the results generated by the model for usage of MgO and CaO. The application of the slag model at the ladle metallurgical facility can increase the life of the refractory and can result in reduced usage of additives to generate sufficient MgO and CaO. The second objective of the thesis is to increase the casting throughput of a continuous caster to improve the factory throughput. An experimental investigation of heat flow during the production of steel billets was undertaken. This research measured the cooling rate of the molten steel at the casting facility by systematic measurement of the steel temperature at several points during the casting process by the use of a pyrometer. A 2D steady state heat transfer simulation model was developed to produce data on temperature and phase distributions for different casting rates. The model data for billet surface temperatures were compared to measured surface temperatures. The comparison between measured and calculated surface temperatures was reasonable and the two sets of data were within ± 30-40 °C. The model data can be used to predict optimum casting speed based on the liquid well closure position and its corresponding surface temperature. This predicted parameter can be monitored by using sensors, and the casting rate can be controlled through a feedback system. / Un modèle d'optimisation de laitier est le premier objectif de cette thèse. L'importance de laitier dans la qualité et la rentabilité de l'acier a été très bien comprise par l'industrie sidérurgique. En effet, la phase de laitier est devenue une partie essentielle du processus de production d'acier. La composition et les propriétés du laitier jouent un rôle important dans la protection des réfractaires de four. La recherche s'est portée sur le développement d'un modèle de laitier afin d'avoir le laitier optimal, saturé en MgO, pour allonger la vie de réfractaire. Un modèle informatique a été développé pour calculer la quantité de MgO minimale requise lors du processus de l'affinage en poche. L'effet de la désulfuration sur la basicité optique et l'exigence de MgO est discuté. Les données de l'usine Arcelormittal Contrecoeur-Ouest ont été utilisées pour comparer les résultats générés par le modèle pour l'utilisation de MgO et CaO. L'application du modèle de laitier dans l'installation de métallurgie en poche peut augmenter la durée de vie du réfractaire et peut réduire la quantité d'additifs utilisée pour générer suffisamment de MgO et de CaO.Le deuxième objectif de la thèse est d'augmenter le débit de coulée d'une machine de coulée continue afin d'améliorer la capacité de production de l'usine. Une étude expérimentale du flux de chaleur lors de la production de billettes d'acier a été entreprise. Cette recherche a mesuré la vitesse de refroidissement de l'acier en fusion dans l'installation de coulée par la mesure systématique de la température de l'acier à travers un pyromètre sur plusieurs points pendant le processus de coulée. Un modèle de simulation à 2D de transfert de chaleur à l'état d'équilibre thermique a été développé pour produire des données sur la répartition de la température de phase à des vitesses de coulée différentes. Les données de modèle concernant la température de surface de la billette a été comparée à la température de surface mesurée. La comparaison entre les températures de surface mesurées et calculées était raisonnable et les deux ensembles de données ont été à l'intérieur de ± 30-40 ° C. Les données modèles peuvent être utilisées pour prédire la vitesse de coulée optimale en fonction de la position de fermeture du puits et sa température de surface correspondante. Ce paramètre prédit peut être suivi en utilisant des capteurs et la vitesse de coulée peut être contrôlée par un système de rétroaction.

This thesis discusses a number of developments in the dynamics and control of a novel, autonomous, highly-maneuverable, finless, almost-lighter-than-air vehicle (ALTAV). The airship is inherently unstable due to absence of fins and is highly prone to winds. Four vectored thrusters are used to ensure closed-loop stability. This thesis deals with improvements made to an existing dynamics model, including the incorporation of the rotational damping moments of the airship, the drag resulting from the protuberances on the airship hull, the reaction torques and the gyroscopic moments on the airship due to the thrusters. Open-loop and closed-loop tests were designed and carried out to validate thephysical parameters that were empirically estimated, and, in general, good agreement was obtained. Furthermore, a complete controller suite that includes a low-level controller and a high-level guidance controller was designed and implemented for autonomous operation of the vehicle. Experimental testing was carried out to validate the performance of the controller suite in the presence of winds. The controller suite was shown to perform reliably even under the influence of winds of comparable magnitude to the airship's speed. / Cette thèse examine le dynamique et contrôle d'un dirigeable autonome, extrêmement manoevrable, dépourvu d'ailerons et presque plus léger que l'air (ALTAV). Ce dirigeable est intrinsèquement instable dû à l'absence de surfaces stabilisatrices et aussi très succeptible au vent. Quatre propulseurs vectorisés sont utilisés pour assurer la stabilité en boucle fermée. Cette thèse concerne les améliorations au modèle dynamique existant, incluant l'incorporation des moments d'amortissements rotationnels du dirigeable, la traînée résultant des protubérances du dirigeable, les torques de réactions et moments gyroscopiques sur le dirigeable dû aux propulseurs. Des essais à boucle ouverte et boucle fermée ont été conçus et effectuées pour valider les paramètres physiques estimé empiriquement, et, en général, un bon accord a été obtenu. En outre, une suite de contrôle incluant un contrôleur à bas niveau et un contrôleur d'orientation de haut niveau a été conçu et mis en oeuvre pour l'opération autonome du véhicule. Les essais expérimentaux ont été effectués pour valider la performance de la suite de contrôle en présence de vents variables. Cet ensemble de contrôle a été c'est démontré fiable même sous l'influence de vents de vitesses comparable à la vitesse du dirigeable.

The ability to locate the source of a scalar/contaminant emitted in a turbulent flow – using as data the scalar's concentration measured within the resulting scalar plume and (optionally) the relative velocity of the fluid with respect to the searcher – is relevant to two quite distinct problems: i) the ability of animals to detect the scent of food or mating partners, and ii) the ability of authorities to locate a release (accidental, terrorist, or other) of a noxious (chemical, biological, or radioactive) substance. The majority of the relevant research in this area has been performed by biologists or roboticists, with little input from fluid dynamicists. Given that the vast majority of relevant flows are turbulent, the present work focuses on accurate and efficient scalar/contaminant source locating therein, by attempting to incorporate knowledge of turbulent flows. To this end, the scalar under consideration is temperature and it is emitted from a line source at the centreline of a fully developed, high-aspect-ratio, turbulent channel flow with a Reynolds number (Re) of 10,800. It is shown that an optimal search algorithm has to balance the trade-offs between explorative and exploitive search phases, since the information available to the searcher is inherently patchy and intermittent. Algorithms which use a root-mean-square (rms)-to-mean ratio of the scalar concentration as the primary search parameter are found to be superior in accuracy, speed, and robustness to noise in a one-dimensional search domain.It is furthermore shown that the maximum benefit of incorporating the physics of turbulent flows is achieved in a two- (or three-) dimensional search domain, and preliminary results indicate that an infotactic search algorithm using a five-parameter plume model for either the mean scalar concentration or rms fluctuation is expeditious and accurate. / La localisation de l'origine d'un contaminant/scalaire émis dans un écoulement turbulent – en utilisant la concentration mesurée du scalaire dans le panache et (facultativement) la vitesse du fluide relative au chercheur – se rapporte à deux problèmes distincts: i) la capacité des animaux à détecter le parfum de la nourriture ou des partenaires sexuels, et ii) la capacité des autorités à localiser un dégagement (accidentel, terroriste ou autre) d'une substance nocive (chimique, biologique ou radioactive). La majorité des travaux de recherche pertinents a été réalisée par des biologistes ou les roboticiens, avec peu d'apport des méchaniciens des fluides. Étant donné que la grande majorité des écoulements concernés sont turbulents, le présent travail se concentre sur la localisation précis et efficace de l'origine d'un scalaire, en intégrant les connaissances des écoulements turbulents. À cette fin, un scalaire (la température) est émis par une source linéaire au centre d'un écoulement en canal, pleinement développé, de grand rapport hauteur/largeur et avec un nombre de Reynolds (Re) de 10.800. Il est démontré que l'algorithme de recherche optimal doit atteindre un juste équilibre entre les phases de recherche exploratoires et exploiteuses, puisque les données à la disposition du chercheur sont intrinsèquement inégales et intermittentes. L'utilisation d'un rapport de l'écart type à la moyenne (rms) de la concentration du scalaire comme paramètre de recherche primaire donne des algorithmes de recherche supérieurs en termes de précision, vitesse et insensibilité au bruit en domaine de recherche unidimensionnel.L'avantage maximal de l'intégration de la physique des écoulements turbulents est réalisé dans un domaine de recherche à deux (ou trois) dimensions, et les résultats préliminaires indiquent qu'un algorithme de recherche infotactique à l'aide d'un modèle de panache à cinq paramètres (pour soit la concentration moyenne scalaire ou l'écart type est rapide et précis.

Flutter, or the dynamic instability of an aircraft wing due to aerodynamic loads, must be considered when designing an aircraft. For this reason work has been done to improve a method developed at Bombardier Aerospace to analyze the dynamic aeroelastic response of aircraft. This method replaces original Doublet Lattice Method (DLM) aerodynamic data with that from high-fidelity Computational Fluid Dynamics (CFD) codes. The new aerodynamic loads are transmitted to the NASTRAN aeroelastic module through improved Aerodynamic Influence Coefficients (AIC). Previously this high-fidelity data was solely steady, and weighting factors were needed to obtain unsteady data. This gave good results for flutter calculations in the subsonic and transonic regime, however, for improved results in the transonic and supersonic regime, unsteady aerodynamic data was needed. This research incorporates unsteady high-fidelity CFD data into this analysis method.The unsteady CFD data was obtained by means of the Transpiration Method. This allowed for the unsteady movement of the model to be accounted for, while saving compu- tational time needed to deform and remesh the aerodynamic mesh at each time step. The transpiration method was validated with two standard test cases, for both static deflections and unsteady cyclic movement. Once this method was validated, high-fidelity CFD results could then be used in the AIC method.The AIC method begins with a set of baseline modes being obtained for the wing model. From these modes an aerodynamic base is calculated. Using the AIC method this aerodynamic base is transferred to NASTRAN. The natural mode shapes of a new configuration, along with the modal-based AIC method are used to approximate aerodynamic loads for the new configuration. These loads are used in NASTRAN to compute the flutter analysis of the new configuration. / Le flottement, ou instabilité dynamique des ailes d'un avion dû à sa charge aérodynamique, doit être considéré lors de la conception d'un avion. Pour cette raison, la méthode d'analyse de l'aéroélasticité d'un avion développée par Bombardier Aéronautique, doit être améliorée. La nouvelle méthode, utilisant un code de calcul dynamique des fluides, ou Computational Fluid Dynamics(CFD), remplace la méthode originale du "Doublet Lattice Method". La nouvelle charge aérodynamique est transmise au module d'aéroélasticité de NASTRAN à l'aide d'un "Coefficient d'Influence Aérodynamique (AIC)" amélioré. Précédemment, seules les données stationnaires étaient de haute fidélité et un facteur de correction était nécessaire pour compléter les données instationnaires. Ces données fournissaient de bons résultats pour les calculs du flottement en régimes subsonique et transsonique. Cependant, pour les cas de régimes transsonique et supersonique, des données aérodynamiques instationnaires sont nécessaires pour améliorer les résultats. Cette étude introduit donc les données instationnaires de haute fidélité provenant du calcul dynamique des fluides. Les données instationnaires générées par le calcul dynamique des fluides sont obtenues au moyen de la "Méthode par Transpiration". Cette méthode permet de prendre en compte la composante instationnaire tout en minimisant le temps de calcul nécessaire pour déformer et remailler le maillage aérodynamique à chaque pas de temps. La méthode par Transpiration a été validé par deux tests standards, pour des cas de déflections statiques et de mouvements cycliques instationnaires. Une fois cette méthode validée, les résultats de haute fidélité du calcul dynamique des fluides peuvent être utilisés pour la méthode AIC.La méthode AIC est initiée avec des modes de bases obtenus pour des ailes, ce qui permet de calculer une base aérodynamique. Cette base aérodynamique est ensuite transférée à NASTRAN en utilisant la méthode AIC. La forme des modes naturels de la nouvelle configuration, avec les bases modales de la méthode AIC, permet d'approximer la charge aérodynamique de la nouvelle configuration. Cette charge est ensuite utilisée par NASTRAN pour résoudre l'analyse du flottement pour la nouvelle configuration.

Understanding and predicting the deformation of the thermoplastic material during the in-situ consolidation Automated Tape Placement (ATP) process is essential for manufacturing composite laminates exempt of laps and gaps. This thesis describes the experimental and theoretical analyses conducted to characterise the in-situ deformation behaviour of a pre-impregnated carbon/PEEK composite system: APC-2/IM7. A "static" or "steady state" experimental approach was adopted in order to simplify the analysis of the dynamic ATP process. The principal processing parameters were decoupled and studied independently using a specifically designed thermoplastic compaction fixture. Taguchi Design of Experiment (DOE) and Analysis of Variance (ANOVA) were used to determine the influence of each parameter. The results showed that both the compaction pressure and the fibre orientation difference were affecting the material deformations. The processing temperature, in the range under study, was shown to have a negligible impact on the steady state strain. Squeeze flow models were developed to describe the behaviour of the material during the compaction experiments. A model formulation with a slip boundary condition was implemented in order to capture the fibre orientation difference dependency. An inverse method, based on half-interval, was used with the compaction fixture's experimental results in order to determine the material viscosity, and to identify the friction factor. An empirical relation based on a sinusoidal function was proposed to describe this friction factor. The model with slip was then adapted to the ATP manufacturing problem, and predictions were made for in-situ material deformations. Finally, the model was used to construct strain prediction surfaces that could provide guidelines for improving the design of deposition paths, and reduce the amount of manufacturing defects. / Lors de la fabrication de pièces en matériaux composite à l'aide de procédés automatisés de placement de bandes thermoplastiques (ATP), certains défauts, tels la superposition ou la présence d'espaces entres les bandes adjacentes, peuvent apparaître. Afin de produire des laminés exempts de ces défauts de fabrication, il serait essentiel de comprendre et prédire les déformations de ce type de matériaux thermoplastiques destinés à l'ATP. Le présent mémoire décrit les analyses expérimentales et théoriques qui ont été effectuées afin d'étudier les mécanismes de déformations d'un matériau composite à base de carbone pré-imprégné de PEEK: l'APC-2/IM7.Afin d'isoler les phénomènes de déformation du procédé complexe et dynamique qu'est l'ATP, une approche expérimentale dite « statique » ou de « régime permanent » a été adoptée. Grâce à un montage de compaction spécifiquement développé pour l'étude, les principaux paramètres de fabrication ont pu être découplés et analysés. L'influence de chaque paramètre a été déterminée expérimentalement à l'aide de la méthode de Taguchi. L'analyse des résultats par l'approche ANOVA a révélé que la pression appliquée, ainsi que la différence d'orientation entre les différentes couches de fibres affectent la déformation du matériau lors du procédé. De plus, l'analyse a permis d'établir que la température de fabrication, dans la gamme de température étudiée, avait un effet restreint sur les taux de déformation atteint à l'équilibre. Des modèles décrivant l'écoulement du matériau lors de l'écrasement des bandes thermoplastiques ont été développés. Une formulation tenant compte du glissement des bandes est proposée afin de modéliser les dépendances à l'orientation. Une méthode inverse par dichotomie a été utilisée en combinaison avec les résultats de compaction pour déterminer la viscosité effective des bandes de matériau composite. Une méthode similaire a permis d'identifier les coefficients de friction. Une relation empirique, basée sur une fonction sinusoïdale, est proposée afin de décrire l'évolution du coefficient de friction en fonction des différences d'orientation. Le modèle avec glissement a ensuite été adapté au procédé ATP dynamique; les déformations lors du processus de placement ont été prédites. Finalement, les résultats de la modélisation ont été utilisés afin de construire des surfaces prédisant les taux de déformations anticipés en fonction des différents paramètres de fabrication. Ces surfaces peuvent fournir des repères qui permettront d'améliorer la conception des tracés de placement, et ainsi de réduire la fréquence des défauts de fabrication.

Microresonators are the central components of microelectromechanical systems (MEMS) used for sensing, imaging, signal processing and energy harvesting. For all these applications, it is necessary to control and minimize damping to improve device performance. However, the rational design of damping has been a long-standing challenge because numerous complicated mechanisms are responsible for energy dissipation in structures. Here, we focus our attention on microresonators that are characterized by low damping and linear damping. For such structures, damping can be modeled using three classical approaches – viscous dashpot; spring with complex-valued stiffness; and the three-parameter standard anelastic solid – and estimated using different dynamic and energetic measures (logarithmic decrement; quality factor; phase angle; specific damping capacity). A detailed study of the relationships between these models and measures establishes a foundation for this thesis, enables a close comparison of measurements using different techniques, and forms a link between theoretical calculations and measurements of damping. Subsequently, these relationships are used to develop a robust protocol for estimating damping by measuring thermomechanical noise in microresonators, and to derive formulas for estimating damping in layered beam and plate microresonators. The protocol is implemented and validated by measuring damping in single-crystal silicon microresonators. / Les micro-résonateurs sont les composantes principales dans les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS). Ils sont utilisés pour l'imagerie, des capteurs et la récolte d'énergie. Pour toutes ces applications, il est nécessaire de contrôler et de réduire l'amortissement pour améliorer la performance du micro-résonateur. Cependant, le design pour l'amortissement a était un très grand défi parce que nombreux mécanismes complexes sont responsable pour dissiper l'énergie dans des structures. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les micro-résonateurs qui se caractérisent par un amortissement bas et linéaire. Pour de telles structures, l'amortissement peut être modélisé par trois approches classiques (amortisseur visqueux ; ressort avec une rigidité complexe ; solide standard anélastique) et estimer en appliquant des différentes mesures dynamiques et énergétiques (décrément logarithmique ; facteur de qualité ; angle de phase ; capacité d'amortissement spécifique) Une étude approfondie sur les liens entres ces modèles et ces mesures est le fondement de cette thèse. Cela permet une comparaison précise des différentes méthodes de mesure et crée un lien entre les calculs théoriques et les mesures d'amortissements. Ultérieurement, ces liens sont utilisés pour développer un protocole robuste pour estimer l'amortissement en mesurant les bruits thermomécaniques dans les micro-résonateurs. Aussi, cela va nous permettre de dériver des formules pour estimer l'amortissement dans une poutre en couche et des plateaux de micro-résonateur. Le protocole est exécuté et validé en mesurant l'amortissement dans un micro-résonateur silicium monocristallin.

Microresonators are crucial components of microelectromechanical systems (MEMS) used for communicating and sensing. One of the main objectives while designing microresonators is to minimize all sources of energy dissipation leading to damping. This thesis focuses primarily on dissipation at the points of attachment of the microresonator to the larger supporting frame, package, and test setup. The sources of such attachment losses include stress-wave radiation at the supports and stick-slip friction at the clamps. In the absence of accurate models for all such sources, it becomes necessary to analyze attachment losses by using the limits of thermoelastic damping for calibration. The implementation of this approach is illustrated by analyzing damping in single-crystal silicon microcantilever resonators that were previously micromachined and characterized. By examining the dependence of attachment losses on frequency and beam geometry, and using estimates for support losses, it is concluded that clamping losses are the primary source of attachment losses in these structures. Finally, to eliminate attachment losses, a new resonator design based on the concept of free-free beams is proposed and the microfabrication of the first prototype is presented. / Les micro-résonateurs sont des composants essentiels des microsystèmes électromécaniques et sont utilisés pour la communication et la perception. L'un des principaux objectifs lors de la conception de micro-résonateurs est de minimiser toute source de dissipation d'énergie entraînant de l'amortissement. Cette thèse se concentre principalement sur la dissipation au niveau des points d'attache du micro-résonateur sur le support de dimensions supérieures et sur l'installation expérimentale. Les sources de pertes d'énergie dues aux fixations comprennent la radiation des ondes de contraintes au niveau des supports et les frottements de type 'stick-slip' au niveau des dispositifs de serrage. En l'absence de modèles précis pour ces sources, il apparaît nécessaire d'analyser les pertes au niveau des points d'attache en utilisant une calibration reposant sur les limites théoriques de l'amortissement thermoélastique. La mise en œuvre de cette approche est illustrée par l'analyse de l'amortissement dans des résonateurs en silicium monocristallin de type micro-poutre en porte-à-faux qui ont été micro-usinés et caractérisés à l'avance. En examinant la dépendance des pertes de fixation par rapport à la fréquence et à la géométrie de la poutre, et en utilisant des estimations pour les pertes au niveau des supports, il a été démontré que les pertes au niveau du dispositif de serrage sont les principales sources de pertes dues aux fixations dans ces structures. Enfin, pour éliminer les pertes au niveau des fixations, un nouveau modèle de résonateur reposant sur le concept de poutre à double porte-à-faux est proposé, et la fabrication du premier prototype est présentée.