Generating all hexahedral meshes on arbitrary geometries has been an area of important research in recent history. Hexahedral meshes have advantages over tetrahedral meshes in structural mechanics because they provide more accurate results with fewer degrees of freedom. Many different approaches have been used to create all-hexahedral meshes. Grid-based, inside-out, or superposition meshing all refer to a similar meshing approach that is a very common mesh generation technique. Grid-based algorithms provide the ability to generate all hexahedral meshes by introducing a structured mesh that bounds the complete body modeled, marking hexahedra to define an interior and exterior mesh, manipulating the boundary region between interior and exterior regions of the structured mesh to fit the specific boundary of the body, and finally, discarding the exterior hexahedra from the given body. Such algorithms generally provide high quality meshes on the interior of the body yet distort element at the boundary in order to fill voids and match surfaces along these regions. The sculpting algorithm as presented here, addresses the difficulty in forming quality elements near boundary regions in two ways. The algorithm first finds more intelligent methods to define a structured mesh that conforms to the body to lessen large distortions to the boundary elements. Second, the algorithm uses collapsing templates to adjust the position of boundary elements to mimic the topology of the body prior to capturing the geometric boundary.

Необходимость в написании программы для расчета рассеянного поля телом вращения возникла в связи с неоднозначностью решения рассеянного поля таких объектов средствами электродинамического моделирования FEKO и Ansoft HFSS. В частности, в HFSS при повороте объекта (конуса) и соответствующем изменении характеристик падающей волны (направления распространения и поляризации) количество сегментов могло меняться более, чем на порядок. Отметим, что в качестве подхода к решению использовался метод физической оптики. Трудности расчета в FEKO вызваны по большей части ресурсами компьютера, а также сложностью последующей трактовки и математической обработки полученных результатов. Программа, описываемая в работе, позволит подойти к решению рассеянного на теле вращения поля более индивидуально и избежать таких неоднозначностей, что могут встречаться при расчетах в пакетах электродинамического моделирования. По результатам рассмотрения ряда задач сделан выбор в пользу метода физической оптики и его численной реализации на базе алгоритмов MATLAB. / The solution of diffraction from perfectly conducting convex solids of revolution is considered. The main aim is obtainment of an optimal approach for diffraction solution from large-scale solids. The implementation of a numerical solution of diffraction with physical optics method using MATLAB is considered. The realized program allows description of the solid of revolution with the analytic form equation of the curve. The possibility of curve description with a few functions defined on disjoint intervals is taken into consideration. The surface meshing with the required value is assured. The measure method of scattering characteristics is touched upon. The experimental results of the solid with three equations of curve are presented. The results of MATLAB modeling are compared with the experimental ones. The upgradability of mathematical modeling algorithms is proposed.

With the advances in wireless communication systems, antennas with different shapes and design have achieved great demand and are desirable for many uses such as personal communication systems, and other applications involving wireless communication. This has resulted in different shapes and types of antenna design in order to achieve different antenna characteristic. One attractive approach to the design of antennas is to suppress or attenuate harmonic contents due to the non-linear operation of the Radio Frequency (RF) front end. The objectives of this work were to investigate, design and implement antennas for harmonic suppression with the aid of a genetic algorithm (GA). Several microstrip patch antennas were designed to operate at frequencies 1.0, 1.8 and 2.4 GHz respectively. The microstrip patch antenna with stub tuned microstrip lines was also employed at 1.0 and 1.8 GHz to meet the design objectives. A new sensing patch technique is introduced and applied in order to find the accepted power at harmonic frequencies. The evaluation of the measured power accepted at the antenna feed port was done using an electromagnetic (EM) simulator, Ansoft Designer, in terms of current distribution. A two sensors method is presented on one antenna prototype to estimate the accepted power at three frequencies. The computational method is based on an integral equation solver using adaptive surface meshing driven by a genetic algorithm. Several examples are demonstrated, including design of coaxially-fed, air-dielectric patch antennas implanted with shorting and folded walls. The characteristics of the antennas in terms of the impedance responses and far field radiation patterns are discussed. The results in terms of the radiation performance are addressed, and compared to measurements. The presented results of these antennas show a good impedance matching at the fundamental frequency with good suppression achieved at the second and third harmonic frequencies. / Home government

The main objective of this research is to design, model and implement several antenna geometries using electromagnetic band gap (EBG) material and a defected ground plane. Several antenna applications are addressed with the aim of improving performance, particularly the mutual coupling between the elements. The EBG structures have the unique capability to prevent or assist the propagation of electromagnetic waves in a specific band of frequencies, and have been incorporated here in antenna structures to improve patterns and reduce mutual coupling in multielement arrays. A neutralization technique and defected ground plane structures have also been investigated as alternative approaches, and may be more practical in real applications. A new Uni-planar Compact EBG (UC-EBG) formed from a compact unit cell was presented, giving a stop band in the 2.4 GHz WLAN range. Dual band forms of the neutralization and defected ground plane techniques have also been developed and measured. The recorded results for all antenna configurations show good improvement in terms of the mutual coupling effect. The MIMO antenna performance with EBG, neutralization and defected ground of several wireless communication applications were analysed and evaluated. The correlation coefficient, total active reflection coefficient (TARC), channel capacity and capacity loss of the array antenna were computed and the results compared to measurements with good agreement. In addition, a computational method combining Genetic Algorithm (GA) with surface meshing code for the analysis of a 2×2 antenna arrays on EBG was developed. Here the impedance matrix resulting from the meshing analysis is manipulated by the GA process in order to find the optimal antenna and EBG operated at 2.4 GHz with the goal of targeting a specific fitness function. Furthermore, an investigation of GA on 2×2 printed slot on DGS was also done. / Ministry of Higher Education Malaysia and Universiti Tun Hussein Onn Malaysia (UTHM)

Intralogistics, or material handling, traditionally use roller or chain conveyors to moveo bjects and goods in factories and warehouses. One negative aspect of the traditional types of conveyors is that they are expensive, as they are comprised of many moving parts. This thesis proposes a novel type of conveyor solution in which a transportation fixture with an integrated open thread slides on L­-shaped profiles and is propelled forward by a screw. A potential obstacle to the usefulness of such a conveyor is that a screw has innately low efficiency due to the mechanics of screws compared to the principle of rolling that is employed in a roller or chain conveyor. This thesis investigates the functionality and efficiency of the proposed conveyor, or more particularly the core functionality, which is the screw and thread mechanism. A test rig was designed and built, in which experiments were carried out. In the experiments, the material, manufacturing technology, and helix angle of the screw and thread, and the speed were varied. The influence on torque, power demand, and efficiency among other parameters were measured and evaluated. Additionally, a method for automatic thread meshing is presented and testing of it was carried out, which showed reliability with and without positional feedback, which gives the conveyor more use cases. It was found that the efficiency of the screw and thread mechanism was higher for screws with a higher lead, steel screws with a diameter of 50 mm exhibited an efficiency of 31% ± 4.5 % with a lead of 32 mm but only 8.7% ± 1.6 % with a lead of 8 mm. 3D printed plastic screws had slightly lower but similar early life efficiency as steel screws, but seized or wore down when tested in an accelerated lifetime experiment. Because a high screw lead is favorable, and because of the size and geometry constraints of such a conveyor (discussed in the conclusion of the report), a direct drive motoris not suitable, and instead a motor and gearbox combination is recommended. The conveyor shows promise as an alternative solution to traditional conveyors in low load applications. / Intralogistik, eller materialhantering, använder traditionellt rull-­ eller kedjetransportörer för att flytta gods i fabriker och lager. En negativ aspekt med dessa traditionella transportörer är att de är dyra, då de består av ett stort antal rörliga delar. Detta examensarbete föreslår en ny typ av transportör i vilken en transportfixtur med en inbyggd kuggstång glider på L­-formade profiler and drivs framåt av en skruv. Ett potentiellt hinder för denna typ av transportörs användbarhet är att en skruv naturligt har låg verkningsgrad på grund av skruvens mekanik i jämförelse med principen av rullning som används av rull- och kedjetransportörer. Detta examensarbete undersöker funktionaliteten och verkningsgraden av den föreslagna transportören, mer specifikt kärnfunktionaliten som är en skruv-­ och gängmekanism. En testrigg designades och byggdes, i vilken experiment utfördes. I experimenten varierades materialet och spiralvinkeln av skruven och gängan, samt hastigheten. Vridmomentet, effekten, verkningsgraden och andra parametrar mättes och utvärderades. Dessutom presenteras en metod för automatiskt gängingrepp som även testades, som visade sig vara tillförlitligt både med och utan positionsåterkoppling, vilket ger skruvtransportören fler användningsområden. Resultaten visade att verkningsgraden av skruv­ och gängmekanismen var högre för skruvar med högre spiralvinkel. Stålskruvar med en diameter på 50 mm visade på en verkningsgrad om 31% ± 4.5 % med en stigning på 32 mm men endast 8.7% ± 1.6 % med en stigning på 8 mm. 3D­-Printade plastskruvar hade något lägre men liknande verkningsgrad som stålskruvar i början av sin livslängd, men skar fast eller nöttes ned när de testades i ett långtidsexperiment. Eftersom hög stigning på skruven är fördelaktigt och på grund av de geometriska begränsningar av en sådan transportör (diskuteras i slutsatsen av rapporten), är det inte lämpligt att driva skruven direkt från en elmotor, utan istället rekommenderas en motorväxellådekombination. Transportören verkar lovande som ett alternativ till traditionella transportörer i applikationer med låg last.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR CGS µLab, qui vise à appréhender lesmécanismes fondamentaux impliqués dans les procédés de stockage profond du CO2 à partir des laboratoiresgéologiques sur puce (GLoCs – geological labs on chip) pour reproduire les conditions depression et de température des milieux géologiques profonds. Au-delà de la compréhension expérimentale,l’apport des techniques de modélisations numériques apparaît essentiel afin de définir des modèlespermettant de prévoir notamment les capacités maximales de stockage à partir des caractéristiques duréservoir (porosité, perméabilité, température, pression, géochimie), et du procédé d’injection (débit,composition). Dans ce contexte, ce travail a principalement deux objectifs : (i) associer l’imagerie expérimentaleet la modélisation numérique pour simuler des écoulements non réactifs dans des GLoCset (ii) suivre expérimentalement les évolutions structurelles d’un milieu poreux 3D soumis à un écoulementréactif. Notre démarche comporte deux parties pour répondre à ces objectifs. Dans la premièrepartie, nous avons effectué la modélisation 3D des perméabilités des GLoCs par la prise de moyennevolumique. Pour ce faire, nous avons d’abord vérifié le comportement darcéen d’un GLoC en fonctionde son nombre de rangs de plots en étudiant un problème de diffusion sur un maillage emboîté quenous avons implémenté à partir d’une image binaire du GLoC pour réduire le temps de calcul. Puis,nous avons mis à jour notre code de perméabilité, qui résout le problème de fermeture de l’écoulement,en calculant analytiquement en 3D le critère de stabilité qui prend en compte l’anisotropie dela géométrie des GLoCs. Nous avons ensuite traité les images numériques 2D des GLoCs avant deprocéder à la génération de leurs volumes élémentaires représentatifs (VERs) 3D. Nous avons enfinsimulé les perméabilités des GLoCs avant de les confronter aux résultats expérimentaux et à ceuxobtenus avec le logiciel PHOENICS. Dans la deuxième partie, nous avons développé un montage expérimentalpermettant de recréer des milieux poreux réactifs en 3D au sein d’un canal microfluidique(lit fixe de microparticules de carbonates de calcium – CaCO3). Grâce à la laminographie X de la ligneID19 de l’ESRF, nous avons pu observer sur des coupes d’image 2D reconstruites les phénomènes dedissolution lors de l’injection successive de volumes constants de solution hors équilibre. Cette preuvede concept a ouvert de nouvelles perspectives d’utilisation de cette méthodologie pour acquérir desdonnées cinétiques sur des phénomènes de fronts réactifs dans les poreux. / This thesis work is included within the ANR CGS µLab projet, which aims to understand thefundamental mechanisms involved in the deep storage processes of CO2 from on-chip geological laboratories(GLoCs - geological labs on chip) to reproduce the pressure and temperature conditionsof deep geological environments. Besides experimental understanding, the contribution of numericalmodeling approaches appears essential in order to define models allowing to predict in particularthe maximum storage capacities based on the characteristics of the reservoirs (porosity, permeability,temperature, pressure, geochemistry), and the injection process (flow rate, composition). In thiscontext, this work has two main goals : (i) to associate experimental imaging and numerical modelingto simulate non-reactive flows in model porous media on chip ; and (ii) to follow experimentally thestructural evolution of a 3D porous medium undergoing a reactive flow. In order to address to thesegoals, the approach we have proposed is divided into two parts. In the first part, we carried out the3D modeling of the permeabilities of GLoCs by taking volume averaging. To do this, we first verifiedthe behavior of a GLoC according to its number of plots rows by studying a diffusion problem ona nested mesh that we have implemented from a GLoC binary image to reduce computation time.Then, we updated our permeability code, which solves the closure problem of flow, by analyticallycalculating in 3D the stability criterion that takes into account the anisotropy of GLoC geometry. Wethen processed the 2D digital images of the GLoCs before proceeding with the generation of their3D representative elementary volumes. Finally, we have simulated the permeabilities of GLoCs beforecomparing them with the experimental results and those obtained with the PHOENICS software. In asecond part, we have developed an experimental set-up to recreate 3D reactive porous media within amicrofluidic channel (fixed packed bed of calcium carbonate - CaCO3 microparticles). Using the X-raylaminography of the ESRF line ID19, we have observed on reconstructed 2D images the dissolutionphenomena occurring during the successive injection of constant volumes of non-equilibrium solution.This proof of concept has opened new possibilities for using this methodology to acquire kinetic dataon reactive front phenomena in porous media.

Le travail présenté dans ce mémoire étudie et propose des modèles de calcul parallèles de type cellulaire pour traiter différents problèmes d’optimisation NP-durs définis dans l’espace euclidien, et leur implantation sur des processeurs graphiques multi-fonction (Graphics Processing Unit; GPU). Le but est de pouvoir traiter des problèmes de grande taille tout en permettant des facteurs d’accélération substantiels à l’aide du parallélisme massif. Les champs d’application visés concernent les systèmes embarqués pour la stéréovision de même que les problèmes de transports définis dans le plan, tels que les problèmes de tournées de véhicules. La principale caractéristique du modèle cellulaire est qu’il est fondé sur une décomposition du plan en un nombre approprié de cellules, chacune comportant une part constante de la donnée, et chacune correspondant à une unité de calcul (processus). Ainsi, le nombre de processus parallèles et la taille mémoire nécessaire sont en relation linéaire avec la taille du problème d’optimisation, ce qui permet de traiter des instances de très grandes tailles.L’efficacité des modèles cellulaires proposés a été testée sur plateforme parallèle GPU sur quatre applications. La première application est un problème d’appariement d’images stéréo. Elle concerne la stéréovision couleur. L’entrée du problème est une paire d’images stéréo, et la sortie une carte de disparités représentant les profondeurs dans la scène 3D. Le but est de comparer des méthodes d’appariement local selon l’approche winner-takes-all et appliquées à des paires d’images CFA (color filter array). La deuxième application concerne la recherche d’améliorations de l’implantation GPU permettant de réaliser un calcul quasi temps-réel de l’appariement. Les troisième et quatrième applications ont trait à l’implantation cellulaire GPU des réseaux neuronaux de type carte auto-organisatrice dans le plan. La troisième application concerne la génération de maillages structurés appliquée aux cartes de disparité afin de produire des représentations compressées des surfaces 3D. Enfin, la quatrième application concerne le traitement d’instances de grandes tailles du problème du voyageur de commerce euclidien comportant jusqu’à 33708 villes.Pour chacune des applications, les implantations GPU permettent une accélération substantielle du calcul par rapport aux versions CPU, pour des tailles croissantes des problèmes et pour une qualité de résultat obtenue similaire ou supérieure. Le facteur d’accélération GPU par rapport à la version CPU est d’environ 20 fois plus vite pour la version GPU sur le traitement des images CFA, cependant que le temps de traitement GPU est d’environ de 0,2s pour une paire d’images de petites tailles de la base Middlebury. L’algorithme amélioré quasi temps-réel nécessite environ 0,017s pour traiter une paire d’images de petites tailles, ce qui correspond aux temps d’exécution parmi les plus rapides de la base Middlebury pour une qualité de résultat modérée. La génération de maillages structurés est évaluée sur la base Middlebury afin de déterminer les facteurs d’accélération et qualité de résultats obtenus. Le facteur d’accélération obtenu pour l’implantation parallèle des cartes auto-organisatrices appliquée au problème du voyageur de commerce et pour l’instance avec 33708 villes est de 30 pour la version parallèle. / The work presented in this PhD studies and proposes cellular computation parallel models able to address different types of NP-hard optimization problems defined in the Euclidean space, and their implementation on the Graphics Processing Unit (GPU) platform. The goal is to allow both dealing with large size problems and provide substantial acceleration factors by massive parallelism. The field of applications concerns vehicle embedded systems for stereovision as well as transportation problems in the plane, as vehicle routing problems. The main characteristic of the cellular model is that it decomposes the plane into an appropriate number of cellular units, each responsible of a constant part of the input data, and such that each cell corresponds to a single processing unit. Hence, the number of processing units and required memory are with linear increasing relationship to the optimization problem size, which makes the model able to deal with very large size problems.The effectiveness of the proposed cellular models has been tested on the GPU parallel platform on four applications. The first application is a stereo-matching problem. It concerns color stereovision. The problem input is a stereo image pair, and the output a disparity map that represents depths in the 3D scene. The goal is to implement and compare GPU/CPU winner-takes-all local dense stereo-matching methods dealing with CFA (color filter array) image pairs. The second application focuses on the possible GPU improvements able to reach near real-time stereo-matching computation. The third and fourth applications deal with a cellular GPU implementation of the self-organizing map neural network in the plane. The third application concerns structured mesh generation according to the disparity map to allow 3D surface compressed representation. Then, the fourth application is to address large size Euclidean traveling salesman problems (TSP) with up to 33708 cities.In all applications, GPU implementations allow substantial acceleration factors over CPU versions, as the problem size increases and for similar or higher quality results. The GPU speedup factor over CPU was of 20 times faster for the CFA image pairs, but GPU computation time is about 0.2s for a small image pair from Middlebury database. The near real-time stereovision algorithm takes about 0.017s for a small image pair, which is one of the fastest records in the Middlebury benchmark with moderate quality. The structured mesh generation is evaluated on Middlebury data set to gauge the GPU acceleration factor and quality obtained. The acceleration factor for the GPU parallel self-organizing map over the CPU version, on the largest TSP problem with 33708 cities, is of 30 times faster.

Dans le but d’améliorer le comportement thermo-mécanique des aubes de turbine présentes dans les moteurs d’avion développés par SAFRAN, il est nécessaire de mettre au point un nouveau matériau composite. Le procédé de fabrication de ce matériau est complexe et requiert une densification par voie liquide divisée en deux étapes. Cette thèse s’intéresse à la modélisation numérique de la première étape appelée Slurry Cast/APS.Celle-ci consiste en l’injection et le confinement, dans la préforme fibreuse, de particules préalablement mises en suspension. Pour cela, nous avons développé à l’échelle des fibres,un modèle qui utilise les équations de Navier-Stokes incompressibles et monophasiques ,l’équation de Phillips [Phillips et al., 1992] et une loi rhéologique [Krieger, 1972]. Après validation des résultats numériques par comparaison avec des résultats expérimentaux [Hampton et al., 1997] et théoriques [Belfort et al., 1994], le modèle est utilisé pour simuler l’écoulement autour de géométries de tissage proches du matériau étudié. / In order to improve thermo-mechanical behavior of tubine blades in SAFRAN engines plane, a new composite material is necessary. The manufacturing process to obtain this composite is intricate and requires a two steps fluid densification process. This thesis focuses on numerical simulation of the first one called Slurry Cats/APS. In this step, suspended particles are introducted and captured in the reinforcement. For that purpose,we carry out a model at fiber scale, using Navier-Stokes equations in incompressible and monophasic formulation, Phillips equations [Phillips et al., 1992] and a rheological law [Krieger, 1972]. After validation step consisting in a comparison of computational results with experiments [Hampton et al., 1997] and theorical law [Belfort et al., 1994], this model has been used to simulate flow around geometries similar to those encountered in our composite material.

Sur la base d’une pratique artistique explorant le phénomène vibratoire de la matière, cette thèse propose une réflexion sur les interactions entre matières sonores et matières visuelles au sein d’une même production plastique. Il s’agit d’analyser l’acte de création composé d’un agencement sensible de divers éléments auditifs et visuels réagissant de manière réciproque et provoquant une mutation de leur perception sensorielle, émotionnelle et sémantique. Un tour d’horizon de certains grands acteurs de l’histoire des pratiques sonores au XX° et XXI° siècle permettra d’aborder la question de l’interaction entre l’ouïe et la vue dans une production artistique. Seront abordées les notions de plasticité sonore, de mouvement vibratoire par l’altération, ainsi que du métissage plastique issu du métissage culturel. Dans un second temps, mon étude portera sur le processus de création d’une installation sonore par mode vibratoire, à travers l’écoute, le processus d’écriture sonore et les caractéristiques des espaces publics en tant que lieu d’accueil d’une œuvre. En dernier lieu, l’étude de la spécificité de la vibration sonore à générer des émotions, mettant en relief les mécanismes cérébraux sollicités par la perception bi-sensorielle aussi bien au niveau du corps de l’artiste créant, que ceux du public expérimentant l’œuvre. / On the basis of an artistic practice exploring the vibratory phenomenon of matter, this thesis proposes a reflection on the interactions between sound and visual materials within the same plastic production. It is a matter of analyzing the act of creation comprising a sensoriel arrangement of various auditory and ocular elements reacting reciprocally and causing a mutation of their sensory, emotional and semantic perception. A survey of some of the major 20th and 21st century players in the history of sonic cultural practices will address the issue of the interaction between hearing and sight in an artistic production. The notions of sound plasticity, of vibratory movement through alteration, as well as that of plastic mixing resulting from cultural intermingling will be discussed. secondly, my study will focus on the process of creating a sound installation by vibratory mode, through listening, the process of sound writing and the characteristics of public spaces as an artwork. Finally, the study of the specificity of sound vibration to generate emotions, highlighting the cerebral mechanisms required by bi-sensory perception both in the body of the creative artist and those of the public experiencing the 'artwork.

La boîte de transmission principale (BTP) est une des principales sources dubruit perçu dans les cabines d’hélicoptères et pénalise fortement le confort acoustique deséquipages et passagers. Afin de réduire l’impact de cette source, les phénomènes acoustiqueset vibratoires mis en jeu par les boîtes de transmission à engrenages doivent être compris etsimulés durant les phases de développement. De cette façon, le comportementvibroacoustique des BTP pourra être amélioré dès la conception, réduisant ainsi le coût, lamasse et les difficultés d’intégration des solutions d’insonorisation. Ce travail présente lesBTP d’hélicoptères ainsi que le bruit qu’elles génèrent. Il présente également nosdéveloppements concernant la modélisation du comportement dynamique des BTP afin d’encalculer le bruit. Nous avons développé un code éléments finis permettant d’effectuer desétudes paramétriques afin d’ajuster le design des boîtes de transmission lors des phases dedéveloppement. Notre modèle est capable de calculer les efforts dynamiques aux paliers detransmissions composées de plusieurs engrenages cylindriques et spiro-coniques. Enfin, nousanalysons des mesures acoustiques et vibratoires effectuées autour de deux BTP pourplusieurs conditions de couple et vitesse. Ces mesures nous permettent de mieux comprendrele comportement vibroacoustique des BTP et de confirmer certaines tendances observées avecnotre modèle / Main gearbox (MGB) is one of the main noise sources in helicopter cabinsand it strongly penalizes acoustic comfort of crews and passengers. In order to reduce theimpact of this source, acoustic and vibration mechanisms of gearboxes have to be understoodand simulated during the development phases. By this way, MGB vibroacoustic behaviourcould be improved by design, thus reducing cost, additional weight and integration difficultiesof sound-proofing solutions. This work presents helicopters MGB and the noise they generate.It also presents our developments regarding the modelling of MGB dynamic behaviour fornoise computation. We have developed a finite elements code allowing to conduct parametricstudies to tune the gearboxes design in early development phases. Our model is able tocompute dynamic loads on bearings of any transmission composed of several cylindrical andspiral bevel gears. At last, we analyse acoustic and vibration measurements done around twoMGB for several conditions of torque and speed. These measurements allow to betterunderstand MGB vibroacoustic behaviour and to confirm some trends observed with ourmodel