In this work we describe a simulation environment that is developed for force feedback devices. This environment relies on the Canadian Space Agency's Multibody Toolbox (MuT) that has symbolic manipulation capabilities based on Maple and uses the Matlab/Simulink interface for numerical processing. The said simulation environment serves two purposes: (1) modelling, dynamic analysis and visualization of multibody systems to assist the design of force feedback devices; (2) generation of models of dynamic systems that serve as virtual environments with which a physical force feedback device interacts. The second item also involves the integration with Quanser's QuaRC real-time control package to control the force feedback device. This work particularly deals with the class of devices that employs the impedance control paradigm. Force feedback devices and the related virtual environment models often employ mechanical system topologies that can be represented by closed-loop multibody chains. For both of the above main objectives, the consideration of explicitly given kinematic constraints in the dynamics and control of the underlying multibody system models is of paramount importance. The simulation framework is capable of employing efficient stabilization techniques to provide satisfactory performance and is able to handle non-conservative systems which gain energy during the simulation, as if the control algorithm injects energy into the system. The simulation of constrained systems received significant attention in recent years. However, the issues that can arise from a broader interpretation of the constrained motion problem have not really been considered. Such an interpretation includes the case of linking a simulated dynamic system to a physical device, which problem has a hardware-in-the-loop nature. This is the case of haptic rendering based on force feedback mechanisms. These aspects will be illustrated via simulations and an experimental test-bed. / Nous d'ecrivons ici un environnement de simulation développé pour les dispositifs de retour d'effort. Cet environnement est basé sur le Multibody Toolbox (MuT) mis au point par l'Agence spatiale canadienne, qui a la capacité de manipulation symbolique en utilisant Maple et Matlab/Simulink afin de traiter de l'interface numérique. L'environnement de simulation sert un double objets: (1) la modélisation, l'analyse dynamique et la visualisation de systèmes multicorps pour aider à la conception des dispositifs de retour d'effort, (2) la génération de modèles de systèmes dynamiques afin de servir des environnements virtuels avec lesquels un appareil physique de retour d'effort tente d'avoir interaction. Le deuxième objectif implique également l'intégration du logiciel en question avec celui pour la commande en temps réel Quanser QuaRC afin de contrôler le dispositif de retour d'effort. Ce travail porte en particulier sur la classe de dispositifs qui emploient le paradigme de commande par impédance. Les dispositifs de retour d'effort et les modèles d'environnement virtuel emploient souvent des topologies des systèmes mécaniques qui peuvent être représentées par chaînes d'éléments multicorps couplés en boucle fermée. Pour tous les deux principaux objectifs ci-dessus, l'examen des contraintes cinématiques explicitement données dans la dynamique et le contrôle des modèles sous-jacents des systèmes multicorps a une importance primordiale. Le cadre de simulation est capable d'utiliser des techniques efficaces de stabilisation afin de fournir la performance ciblée tout en étant également capable de gérer des systèmes non-conservateurs qui gagnent de l'énergie au cours de la simulation, comme si l'algorithme de contrôle injectait de l'énergie dans le système. La simulation des systèmes contraints a reçu une attention considérable durant les dernières années. Cependant, les problèmes issus d'une interprétation plus large de problème de mouvement constraint ne sont pas vraiment pris en considération. Une telle interprétation représente par la connection d'un logiciel de simulation dynamique à un dispositif faisant partie du matériel. C'est le cas de dévirage haptique basé sur des mécanismes de retour d'effort. Ces aspects seront illustrés par des simulations et un banc d'essai expérimental.

Efficient and accurate numerical simulation methods for the damage tolerance analysis and fatigue life prediction of fibre reinforced polymers are in high demand in industry. Problems arise in the development of such a simulation method due to the limitations from numerical methods, i.e., delamination modelling, and understanding of damage mechanism of woven fabric composites. In order to provide effective and accurate delamination modelling, a new crack modelling method by using the finite element method is proposed in this study. The proposed method does not require additional degrees-of-freedom in order to model newly created crack/delamination surfaces. The accuracy of delamination growth simulation by the proposed method and that of a commercial FEA package are in good agreement. The damage mechanisms of five harness satin weave fabric composite is studied by creating a multiscale finite element model of a double cantilever beam specimen. The weft and warp yarns, where the gaps are filled with matrix, are individually modeled. Cohesive zone model elements are pre-located within the matrix and interfaces of matrix-yarns and weft-yarns and warp yarns. These meso-scale parts are bonded with homogeneous parts that are used to model regions where no damage is expected. This constitutes a multiscale model of a DCB specimen. The simulation results are in good agreement with the lower bound of experimental results. The toughening mechanism contributed from the weave structure was revealed. This study contributes to knowledge by introducing crack modelling methods and by providing more information in order to understand damage mechanisms of 5HS weave fabric composite laminates during delamination growth. / Les méthodes de simulation numériques efficaces et exactes pour l'analyse de l'endommagement et la prédiction de vie en fatigue des matériaux composites sont essentielles pour l'industrie. Les problèmes surviennent dans le développement d'une telle méthode de simulation en raison des restrictions des méthodes numériques, c'est-à-dire, modélisation de la délamination et compréhension des mécanismes de rupture de composites à base de fibres tissées.Pour developer un modèle de délamination efficace et précis, une nouvelle méthode est proposée dans cette étude en utilisant la method des éléments finis. La méthode proposée n'exige pas de degrés-de-liberté supplémentaires pour créer de nouvelles sufaces de fissures/ délaminations. Le résultat de simulation de délamination par la méthode proposée est comparé avec un logiciel d'éléments finis commercial, et les résultats se comparent bien.Les mécanismes d'endommagement d'un composite tissé typique "five-harness satin" sont le sujet d'une étude. Ceci est fait en créant un modèle d'éléments finis "méso-échelle" en utilisant l'exemple d'un spécimen d'essais Mode 1 (spécimen DCB). Le tissu est modélisé avec les trajectoires exactes des fibres dans les deux directions, et les espaces entre les fibres sont remplis de la matrice. Des éléments cohésifs sont insérés entre la matrice et les interfaces des fibres. Les composants méso-échelles sont joints avec des parties homogènes qui sont utilisées pour modéliser des régions où aucun endommagement n'est prévu. La combinaison des ces parties constitue un modèle multiéchelle d'un spécimen DCB. Les résultats de simulation d'un essai sont en accord avec les résultats expérimentaux, du côté conservateur. Le mécanisme renforçant des ultant du type de tissage a été démontré.Cette étude contribue à la science en présentant de nouvelles méthodes pour modéliser les fissures et pour comprendre les mécanismes d'endommagement des composites tissés pendant la croissance des délaminations.

Mesh adaptation is modification of an existing mesh as to accurately capture physical phenomena without increasing computational cost excessively. Among many challenges remained in this field, "unsteady mesh adaptation" and "functional-output mesh adaptation" are the two topics addressed in this work. "Transient-Fixed-point" method is a new approach for unsteady mesh adaptation as an implicit coupling between the mesh and the solution. What differentiates transient-fixed-point from steady adaptation methods is the metric intersection through time. In this work a new scheme for transient metric intersection is proposed for orthogonal data preserving. Another challenge in mesh adaptation is to control mesh modifications according to an integral function, known as functional-output, (e.g. lift, drag, moments, etc.) rather than the directly computed variables (e.g. velocity, pressure, Mach, etc.). Such control comes from a suitable edge-based error evaluation to be defined according to the chosen functional. One such definition is proposed in this work that drives surface mesh adaptation based on the chosen functional-output function. / L'adaptation de maillage est la modification d'un maillage existant afin de saisir avec précision les phénomènes physiques sans augmentation excessive du coût de calcul. Parmi les nombreux défis qui demeurent dans ce domaine, l'adaptation de maillage de manière instable et l'adaptation de maillage selon un « functional-output » sont les deux thèmes abordés dans ce travail. La méthode « Transient-Fixed-point » est une nouvelle approche pour l'adaptation de maillage de manière instable. Cette méthode consiste à formée un lien entre le maillage et la solution. Ce qui différencie la méthode « Transient-Fixed-point » de méthodes d'adaptation constante est l'intersection des métriques à travers le temps. Dans cet ouvrage, un nouveau régime pour l'intersection de métriques transitoire est proposé afin de préserver l'orthogonalité des données.Un autre défi de l'adaptation de maillage est de contrôler les modifications apporté à la maille selon une fonction intégrale, connu sous le nom de « functional-output » (par exemple, la portance, la trainée, des moments, etc.) plutôt que de calculées directement les variables (par exemple vitesse, pression, Mach, etc.). Un tel contrôle provient d'une d'évaluation approprié de l'erreur des lisières à être définies en fonction des choix de « functional ». Une telle définition est proposée dans ce travail qui entraine l'adaptation de maillage de surface en fonction du« functional-output » choisi.

The objective of this study was to measure the velocity of the superior surface of human vocal folds during phonation using laser Doppler vibrometry (LDV). A custom-made endoscopic laser beam deflection unit was designed and fabricated. An in vivo clinical experimental procedure was developed and performed at the Montreal General Hospital Voice Laboratory in order to simultaneously collect velocity data from the LDV and video from endoscopy. The velocity along the direction of the laser beam, ie. the inferior-superior direction, was captured and found to be synchronous with electroglottograph (EGG) and sound level meter data. Recorded phonation onset/offset times were found to be commensurate with reported data obtained using EGG and high-speed imaging. The vibration energy of the vocal folds was determined to be significant up to a frequency of 3 kHz. The velocity amplitude was found to be approximately 45 mm/s and was consistent between subjects. A sparse map of the vocal fold surface velocity was obtained, which showed that the velocity amplitude did not change significantly with location. Different characteristic vibration waveforms were identified and attributed to the presence of a mucosal wave over the vocal fold surface. Laser Doppler vibrometry offers potential as a diagnostic tool for the early detection of vocal disorders. It may provide online biofeedback for voice professionals, and help them to tune their laryngeal tension to obtain the desired voice output. / La présente étude avait pour but de mesurer directement la vitesse des cordes vocales de la voix humaine en utilisant la vibrométrie laser (VL). Une buse endoscopique pour la re-direction du faisceau laser a été conçue et construite. Un protocole expérimental de mesures en clinique a été développé et mis en oeuvre afin d'obtenir des signaux de vitesse simultanément avec des images vidéoendoscopiques. Les mesures furent prises au laboratoire de la voix de l'Hôpital Général de Montréal. La vitesse mesurée est dans l'axe du faisceau laser, soit dans la direction inférieure-supérieure. Des signaux synchrones provenant d'un électroglottogramme (EGG) et d'un microphone furent recueillis pour fins de comparaisons et de vérifications. Les signaux provenant du VL sont parfaitement corrélés et consistants avec les signaux du EGG et microphone ainsi que les informations provenant du vidéo. L'énergie vibratoire semble être présente dans un bande de fréquence allant jusqu'à 3 kHz. La vitesse est de 45 mm/s dans les trois cas étudiés, pour toute fréquence, amplitude et position. Différents modes vibratoires avec des formes d'ondes distinctes furent identifiés, probablement dus à la propagation d'ondes sur la surface supérieure des cordes vocales. Les résultats suggèrent que l'utilisation du VL pourrait mener à des applications intéressantes pour la détection de problèmes tels que des lésions. La VL pourrait aussi sans doute fournir une rétroaction à des professionnels de la voix qui leur permettrait d'ajuster la tension et la position de leur cordes vocales afin d'obtenir le timbre ou l'intonation désirée.

The present study deals with the evaluation of several explosive phase velocity techniques to produce very high apparent detonation velocities on linear or cylindrical targets. In particular, the pairing of two explosive components with different detonation velocities to drag a structured detonation wave was shown to be accurate in generating desired phase velocities. The technique of subdividing a detonation wave into multiple, discrete detonation channels and injecting them into the desired geometry was also evaluated and shown to be similarly accurate. Analytical models for designing the explosive components in these techniques in order to produce a desired phase velocity are presented in detail. A novel method of generating an axisymmetrical, implosive linear phase velocity was also developed by varying the wall thickness of a cylindrical metal flyer/liner. This device was experimentally demonstrated to produce phase velocities but with significant deviations from analytical modelling predictions. The two component phasing technique was also applied to a linear explosive shock tube. The shock tube was constructed from a thin-walled metal tube and surrounded by a thin annulus of explosives and then a thick-walled metal tube. The phased detonation wave was injected via a thin slit in the top of the thick-walled tube. A quasi-steady shock wave was driven at velocities between 10.5~km/s and 11~km/s with this device. / L'étude présente porte sur l'évaluation de plusieurs techniques pour générer une vitesse de phase dans un explosif afin de produire de très hautes vitesses de détonation sur des cibles linéaires ou cylindriques. En particulier, il a été démontré que le jumelage de deux composantes explosives ayant des vitesses de détonation différentes pour faire glisser une onde de détonation structurée est une méthode pouvant précisément générer des vitesses de phase désirées. La méthode de la division d'une onde de détonation dans plusieurs canaux individuels fut évaluée et il fut démontré qu'elle est aussi précise. Des modèles analytiques pour la conception des composantes explosives nécessaires à la production des vitesses de phase désirées en utilisant ces techniques sont présentés en détail. Une nouvelle méthode pour générer une vitesse de phase axisymétrique, implosive et linéaire a été également mise au point en faisant varier l'épaisseur de la paroi d'un tube métallique cylindrique. Il fut démontré que cet appareil est capable de produire des vitesses de phase, mais avec des écarts importants avec les prévisions analytiques. La technique qui utilise les deux composantes a également été appliquée à un tube à chocs explosif linéaire. Le tube à chocs a été construit à partir d'un tube métallique à parois mince et entouré par un anneau mince d'explosifs puis un tube de métal à parois épaisse. L'onde de détonation a été progressivement injectée par une mince fente dans le haut du tube à parois épaisse. Une onde de choc a été entraînée à des vitesses allant jusqu'à 11~km/s avec cet appareil.

In space robotics systems, contact often occurs between a robotic manipulator and other bodies and will affect the performance of the manipulator's control and mechanical systems. In order to check whether a task can be performed successfully, and to predict potential dangers and problems, an accurate and efficient contact model for space robotics systems is highly desirable. The research in this thesis focuses on investigating a geometry-based contact force model with high accuracy and general applicability for space robotics systems. This work is comprised of three parts: compliant contact force modeling including damping, interference geometry algorithm, and model validation. Based on elasticity theory and contact type classification, a uniform load-deformation relationship is obtained through the introduction of a shape coefficient to consider the effect of the shape of contact region. Moreover, a case coefficient is used to account for different contact types: point, line and face contact. Use of a shape coefficient and a case efficient leads to a comprehensive compliant contact model for polyhedral contacting objects, which has a solid basis in elasticity theory. Compared to existing contact models, this new model has two distinguishing characteristics: general applicability to a wide diversity of object shapes and contact types, and a careful consideration of the detailed contact geometry in order to improve the model's accuracy. An interference geometry algorithm, targeted to calculate all the geometric parameters needed by the comprehensive compliant contact model, is developed. A theoretical basis and two algorithms for the calculation of the overlap polyhedron of two contacting objects are investigated. Two methods to obtain the contact area and contact normal are discussed: an area-weighted normal method and a least-squares fitting plane method. A definition of penetration distance and two methods to calculate the application point of the interbody / Dans un système robotique pour application spatial, des contacts se produisent souvent entre le manipulateur et les autres composantes, ce qui pourrait affecter la performance de la commande du manipulateur et du système mécanique. Pour vérifier si une tâche peut être effectuée avec succès et pour anticiper les problèmes potentiels, un modèle de contact précis et efficace est fortement souhaitable. Les travaux de recherches présentées dans cette thèse se concentrent sur une enquête d'un modèle de force de contact à haute précision basé sur la géométrie des objets ainsi que l'application de ce modèle sur les systèmes robotique spatiale. Cette thèse est composée de trois parties: la modélisation de la force de contact avec amortissement, l'algorithme d'interférence géométrique et la validation des modèles. A partir de la théorie d'élasticité et classification de contact, on obtient une relation uniforme entre la charge et la déformation en introduisant un coefficient de forme pour tenir compte de l'effet de la forme de la région de contact. En outre, un coefficient de cas est utilisé pour tenir compte des différents types de contact: point, ligne et face. Cela mene à un modèle de contact pour objets polyédriques, qui est bien fondé sur la théorie de l'élasticité. Par rapport aux modèles de contact existants, ce nouveau modèle a deux caractéristiques particulières: une applicabilité générale pour une grande variété de formes d'objets et de types de contact; et une considération de la géométrie détaillée de contact qui permet d'améliorer la précision du modèle. Un algorithme de géométrie d'interférence, visant à calculer touts les paramètres géométriques nécessaires pour le modèle de contact, est développé. La base théorique et deux algorithmes sont examinés pour le calcul de polyèdres chevauchés. Deux méthodes pour obtenir la surface de contact et la normale sont examinées: une mét

Advanced composite materials provide a wide range of design freedom by virtue of their anisotropy. For the structural design and optimization of an advanced composite rotor blade, computationally efficient analytical models that can simulate the behaviour of the blade are necessary. A reliable and computationally efficient in-house cross-sectional analysis code has been developed for applications in the preliminary analysis and structural optimization of composite rotor blades. Parametric studies emphasizing the influence of the changes made to the internal structure of the blade are presented to illustrate the variation of the elastic stiffnesses and the coupling stiffness terms as a function of the internal geometry changes. Box-beam and D-spars that are the idealizations of a composite airfoil structure are considered in this work. The variation of the elastic stiffnesses for the actual blade structure with NACA0015 (symmetrical airfoil) and NACA23015 (cambered airfoil) profiles have been accomplished. The internal geometry changes considered include: the web inclination angle of the spar and the web distance from the leading edge. A discussion on the effect of these changes on the actual and idealized structures has been reported. In addition, multi-objective optimization of the cross-sectional design of a helicopter rotor blade with NACA0015 profile has been performed using the min-max approach. The optimization problem has been formulated as target vector optimization while considering the internal geometry variables of the blade. Particle swarm optimization, a multi-agent direct search algorithm, has been selected for the optimization due to its efficacy in dealing with composite optimization problems. A comparison of the optimization results with/without the inclusion of the internal geometry variables has been reported to highlight the role that the internal geometry variables play in the structural design of composite rotor blades.Keywords: Advanced composite rotor blades, Elastic tailoring, Multi-objective optimization, Target vector optimization, Particle swarm optimization. / Grâce à leurs propriétés anisotropiques, les matériaux composites avancés présentent une grande liberté en termes de conception et design. Afin de concevoir et optimiser une pale principale en matériaux composites avancés, des modèles analytiques pouvant simuler le comportement de la pale sont nécessaires. Un code mathématique fiable and efficace, en terme de puissance de calcul, a été développé pour faire des analyses préliminaires d'optimisation structurelle de pales principales en composite. Des études paramétriques, démontrant l'influence des changements faits à la structure interne de la pale, sont présentées pour illustrer la variation des modules de rigidité et des termes de couplage de rigidité en fonction de la géométrie interne de la pale.Un caisson et un longeron, qui sont une idéalisation d'un profil aérodynamique en composite, ont été considéré dans ce travail. La variation des modules élastiques de rigidité pour des structures de pales symétriques NACA0015 et cambrées NACA23015 a été déterminée. Les changements de géométrie interne considérés inclus : l'angle d'inclinaison de l'âme du longeron et la distance entre l'âme et le bord d'attaque. Une discussion sur l'effet de ces changements sur les structures réelles et idéalisées est présentée.De plus, une optimisation à objectifs multiples du design de la section transversale d'une pale d'hélicoptère avec un profil NACA0015 a été accomplie avec une approche min-max. Le problème d'optimisation a été formulé en tant qu'une optimisation à vecteur cible tout en considérant les variables géométriques internes de la pale. Une optimisation à essaim de particules, un algorithme de recherche direct à cibles multiples, a été sélectionnée pour l'optimisation à cause de son efficacité à gérer les problèmes d'optimisation avec les composites. Une comparaison des résultats d'optimisation incluant ou non les variables de géométrie internes a été reportée pour souligner le rôle que celles-ci jouent dans la conception structurelle des pales en composite.

Tethered helium balloons are known to be useful in applications where a payload must be deployed at altitude for a long duration. Perhaps the simplest such system is a helium-filled sphere tethered to the ground by a single cable. Despite its relative simplicity, there exists little data about light tethered spheres in a fluid stream. The current work focuses on an investigation of the dynamic characteristics of a spherical aerostat on single tether. A test facility was constructed to gather the experimental data required for a characterization of the system. The balloon's drag coefficient is extracted from the position measurements. Our experiments were all in the supercritical range that is, at Reynolds numbers greater than 3.7 x 105. We find that the balloon's large oscillations and surface roughness combined with the wind turbulence result in a substantial increase in the drag coefficient. A model of the dynamics of a spherical aerostat was previously developed at McGill University and our experimental data was used to refine and improve that simulation. The aerostat is modeled as a single body attached to the last node of a tether. It is subject to buoyancy, aerodynamic drag and gravity. The tether is modeled using a lumped-mass method. The dynamic simulation of the aerostat is obtained by setting up the equations of motion in 3D space and integrating them numerically. Finally, the model is validated through comparison with experimental data and a modal analysis is performed.

This thesis presents a new method of solution for incompressible flow analysis past airfoils in the presence of the ground. The present method uses velocity singularities to derive the pressure distribution and the aerodynamic forces and moments acting on the airfoils subjected to ground effect. The method of velocity singularities has been originally developed by Mateescu for the analysis of the steady flow past airfoils and wings in supersonic regime, making use of special singularities associated to the leading edge and ridges, which are characterized by sudden changes in the boundary conditions. / In this approach, the presence of the ground is modeled by considering a mirror-image airfoil, which is analyzed in conjunction with the real airfoil using velocity singularities, leading to a correct mathematical formulation of the physical problem. The solutions obtained are of aeronautical interest in flight evolutions such as take-off and landing, when the airplane wings are subjected to ground effects. / The present solutions have been successfully validated by comparison with previous results obtained by the lumped-vortex method, and by other methods based on matched asymptotic expansions or on conformal transformations. Accurate theoretical solutions, in closed form, for the pressure distribution and for the lift and pitching moment coefficients have been derived for various airfoil shapes in ground effect, placed at several distances to the ground and angles of attack.

Woven fibres and yarns are generally used in the form of a laminate embedded into a matrix. However, these materials are increasingly being used in the pure and the woven form such as fabric for ballistic protection clothing and confinement chambers for jet engines. These applications have created a demand for numerical modelling of the fabrics and more in depth information about the behaviour of fibrous materials and yarns. Manufacturers of yarns usually provide some quasistatic material parameters for the single fibre form of the material. However, this information cannot be scaled up linearly for a yarn consisting of many fibres. Also, the strain rate at which this information is obtained is not in the same order of magnitude as the strain rates observed in ballistic applications. / The purpose of this study is to gain an understanding of parameters that affect the strength of yarns. Quasistatic and dynamic strength of various yarns are obtained using hydraulic and Hopkinson bar testing methods respectively and the rate dependency of the failure strength of each yarn is quantified. Weibull models are applied to each set of tests to observe whether the parameters obtained can be used as size independent material properties. The scaling effect will also be studied experimentally in order to observe the effect of specimen size to the failure stress of yarn.