The aim of this project was to design, construct and develop a space frame for a pneumatically driven vehicle for one driver through several simulations. The purpose of the vehicle was to compete in the ‘XI. International Aventics Pneumobile Competition’. This event is an opportunity for students to develop and improve their skills in different fields such as mechanical engineering, telemetry and electronics building and team working. However, this thesis topic will be focused mainly on the aspects of mechanical engineer based on the process of before and after the construction. This process was also examined through a number of races occurred during the competition. Specifically, the chassis that has been initially designed was developed through the whole process with purpose of lowering the mass while maintaining the strength. The study has produced two results - a real life model, which has participated in the competition and an improved model of the frame which was carried out in Autodesk Inventor and ADAMS software. Throughout the process the frame was remodeled and resulted with the weight loss from 48.3 kg to 31.9kg, while the strength was maintained. / XI. International Aventics Pneumobile Competition

Les conditions de déplacement de l'huile en géométries simples sont étudies en fonction des caractéristiques bien identifiables de fluides viscoélastiques. Dans ces expériences de déplacement immiscible, une huile de viscosité inférieure sera déplacée par un fluide newtonien de référence et par des fluides viscoélastiques que nous allons choisir, formuler et caractériser. Les expériences de déplacement dans une cellule Hele-Shaw mettent en évidence que le caractère élastique des formulations modifie les conditions de déplacement, surtout à vitesses élevées. De même nous pouvons observer une série d'expériences où la tension interfaciale du système fluide – huile a été diminuée pour monter que l'effet de l'élasticité apparaît sous ces conditions. Nous pouvons aussi observer comme les tendances se maintiennent à niveau microscopique, où la pénétration des fluides viscoélastiques dans des pores modèle est plus prononcée par rapport a un fluide newtonien. Finalement nous proposons un modèle simple qui prend en compte les propriétés élastiques des fluides en la déformation de l'interface fluide / huile que donne comme résultat une différence dans le déplacement immiscible quand on compare par rapport aux fluides newtoniens / Conditions of oil displacement in simple geometries are studied according to clearly identifiable characteristics of viscoelastic fluids. In these immiscible displacement experiments, a lower viscosity oil will be displaced using a reference Newtonian fluid and viscoelastic fluids that we will select, develop and characterize. The displacement experiments in a Hele-Shaw cell show that the elastic nature of formulations alters displacement conditions, especially at high velocities. Similarly we can observe a series of experiments in which the interfacial tension of the system fluid-oil was decreased to show that the effect of the elasticity appears under these conditions. We can also observe how the trends remain at the microscopic level, where the penetration of viscoelastic fluids in a model pore is more pronounced compared to a Newtonian fluid. Finally we propose a simple model which takes into account the elastic properties of fluids in deformation of the fluid-oil interface that results in a difference for immiscible displacement when compared to Newtonian fluids

Dans ce travail, nous étudions le comportement rhéologique de suspensions concentrées de fibres non-browniennes. Dans un premier temps, nous avons élaboré de nouvelles méthodes expérimentales en géométrie torsionnelle plan-plan, pour mesurer la viscosité, les deux différences de contraintes normales, ainsi que les contraintes normales d'origine particulaire. Nous avons été en mesure d'apporter des résultats originaux qui ont été interprétés en termes d’évolution de la microstructure des suspensions de fibres. Les mesures de la viscosité en régimes stationnaire et transitoire ont permis de mettre en évidence l'importance de l'orientation et de l'effet du confinement sur la viscosité. Par ailleurs, nous avons obtenu pour la première fois des mesures indépendantes des deux différences de contraintes normales en géométrie torsionnelle plan-plan. Les mesures de la pression dans le fluide interstitiel nous ont donné accès aux contraintes normales particulaires et apporté une première mise en évidence expérimentale du phénomène de migration des fibres dans les suspensions non-browniennes. Dans un deuxième temps, nous avons établi deux modèles théoriques qui tentent d'expliquer la rhéofluidification des suspensions de fibres concentrées par une compétition entre des forces adhésives entre fibres et les forces hydrodynamiques et qui proposent un scénario de formation et de destruction d'agrégats. Les résultats de ces modèles sont alors confrontés aux mesures expérimentales et rendent bien compte du comportement de la viscosité sur une large gamme de taux de cisaillement. / In this manuscript we investigate, both experimentally and theoretically, the rheological behavior of concentrated non-Brownian fiber suspensions. The experiments consist in developing new methods for measuring the viscosity, the two normal stress differences as well as the particle normal stresses, in torsional plate-plate geometry. We were able to bring original results that have been interpreted by the evolution of the microstructure of the fiber suspensions during the flow. The experiments in stationary and transient regime highlight the importance of fiber orientation and the effect of the confinement on the viscosity measurement. For the first time, the first and the second normal stress differences have been measured separately in a torsional flow. Furthermore, thanks to the measurement of the pore pressure in the suspensions, an estimation of the particle normal stresses has been carried out and, for the first time the phenomenon of fiber migration in non-Brownian suspensions has been evidenced. From a theoretical point of view, we developed two complementary models that tend to explain shear-thinning behavior in concentrated fiber suspensions by a balance between adhesive and hydrodynamic forces and propose a scenario for the formation and the destruction of aggregates. These models are then tested against experimental measurements in a wide range of shear rates.

This thesis is concerned with the mechanical stress generated in thin layers applied on a substrate. The application takes place at high temperatures and due to different coefficients of thermal expansion of materials, the sample is deformed, and thereby the stress is generated. The first part of the thesis includes the derivation of the Stoney formula for uniaxial and biaxial stress in a layer. Besides, analytical calculations of the normal stress in the layer for the simplified link model, and shear stress on the layer interface were evaluated. The main part of the work consists of solving the problem using FEM modeling. Because the actual temperature behavior during the application was not known, a fictitious temperature load was used as an input. For the samples, the coefficients of thermal expansion of the layer were then searched so that the thermal load resulting deflection corresponds to the experimental data. Three types of models were created, namely the link body model, the axisymmetric model, and the solid model. The axisymmetric model was used for the calculation of samples forming circular isolines during deformation and a volume model for samples forming elliptical isolines. The result of the FEM calculations was the normal stress in the applied layers, for which corresponding relationships were created using regression analysis.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18800号 / 理博第4058号 / 新制||理||1584(附属図書館) / 31751 / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)教授 平原 和朗, 教授 澁谷 拓郎, 准教授 久家 慶子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

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In Abhängigkeit von der Suspensionszusammensetzung und der jeweiligen Scherrate können konzentrierte Kaolinsuspensionen ungewöhnliche rheologische Phänomene wie Oszillationen der scheinbaren Viskosität oder eine negative 1.~Normalspannungsdifferenz zeigen. In dieser Arbeit wurde die Abhängigkeit der 1.~Normalspannungsdifferenz, des Speicher- und des Verlustmoduls im linear-viskoelastischen Bereich sowie der Fließgrenze von der Oberflächenbeladung des Kaolins, von der Kaolinfeststoffkonzentration, vom pH-Wert und von der Ionenstärke untersucht. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, die die Fixierung der scherinduzierten Mikrostruktur der Suspensionen und deren anschließende Charakterisierung mittels Röntgenbeugung gestattet. Außerdem wurde ein rheologisches Modell abgeleitet, das den Zusammenhang zwischen den Aussagen zur scherinduzierten Mikrostruktur und dem Auftreten negativer 1.~Normalspannungsdifferenzen herstellt.

En 1970, George K. Batchelor suggérait que la connaissance des lois de l'hydrodynamique rendait possible la dérivation de propriétés rhéologiques macroscopiques telle la viscosité, à partir de la connaissance de la microstructure d'une suspension de particules. Quarante ans plus tard, ses espoirs ne se sont pas concrétisés et la rhéologie des suspensions,notamment en régime concentré, reste un domaine de recherche très actif.Considérant des suspensions modèles de particules non colloïdales dans un liquide newtonien, le travail expérimental réalisé au cours de cette thèse s'est d'abord attaché à unifier les concepts classiquement définies en rhéologie des suspensions et ceux issus des récentes avancées sur les écoulements granulaires. Dans ce but, un dispositif original de cisaillement à pression imposée a été développé et a permis une caractérisation claire des équations constitutives en régime très dense.Par la suite, des configurations d'écoulements à surface libre ont été utilisées pour la mesure des deux différences de contraintes normales.Enfin, la mise en cohérence de l'ensemble des résultats expérimentaux donne une formulation complète et cohérente de la rhéologie des suspensions non colloïdales. / In 1970, George K. Batchelor suggested that the knowledge of the laws of hydrodynamics made ​​possible the derivation of macroscopic rheological properties such as the effective viscosity, from the knowledge of the microstructure of a suspension of particles. Forty years later, his hopes have not materialized and the rheology of suspensions, particularly in the concentrated regime, remains an area of ​​active research. Considering suspensions of non-colloidal particles in a Newtonian liquid, the experimental work in this thesis was first attached to unify the concepts traditionally defined rheology of suspensions and those from recent advances on granular flows. For this purpose, an original of shear imposed pressure was developed and showed a clear characterization of constitutive equations in the dense regime. Subsequently, the configurations of free surface flows have been used for the measurement of both normal stress differences. Finally, the coherence of all the experimental results gives a complete and consistent formulation of the rheology of non-colloidal suspensions.

Submitted by Debora de Oliveira Medeiros null (deboraomedeiros@gmail.com) on 2017-06-13T19:08:30Z No. of bitstreams: 1 dissertacao_arquivar.pdf: 4524135 bytes, checksum: 33a027db23ff40bebc026b9090443d53 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-06-19T12:58:15Z (GMT) No. of bitstreams: 1 medeiros_do_me_prud.pdf: 4524135 bytes, checksum: 33a027db23ff40bebc026b9090443d53 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-19T12:58:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 medeiros_do_me_prud.pdf: 4524135 bytes, checksum: 33a027db23ff40bebc026b9090443d53 (MD5) Previous issue date: 2017-04-24 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho é apresentado um estudo das equações de Navier Stokes incompressível com superfície livre e métodos de projeção com uma formulação recente denominada laplaciano superficial. Esta formulação tem como finalidade uma melhor descrição da força de tensão superficial e grandezas, como curvatura e vetores tangencial e normal, descritas sobre a interface. Assim, uma condição de tensão normal alternativa é definida, e esta quando discretizada implicitamente e combinada com o método de projeção, descrevem a formulação laplaciano superficial, cuja sua solução é utilizada como condições de contorno para resolver o sistema de equações que descrevem o escoamento. A nova formulação destina-se a resolver um sistema tridiagonal de equações gerado sobre a interface, e usar a solução deste sistema de equações como uma condição de contorno na superfície livre para o sistema linear da correção da pressão no interior do domínio, que é resultante da aplicação do método de projeção. A nova equação que define a condição de tensão normal conta com grandezas definidas na malha euleriana, no contexto Marker-And-Cell (MAC), que devem ser projetadas sobre a malha lagrangeana e também considera a curvatura e os vetores tangente e normal na sua descrição, sendo importante um estudo detalhado de geometria diferencial. Finalmente, variações da formulação laplaciano superficial com tensão superficial para diferenças finitas são aplicadas para resolver os testes numéricos da oscilação da gota e da gota apoiada que possuem solução de referência, além da simulação de um problema com movimento de interface (fountain flow). Nestes testes, concluímos que a variação mais precisa e estável é aquela que aplica uma discretização da equação da tensão normal utilizando médias de valores alocados na malha MAC. / This work presents a study of the Navier-Stokes equations incompressible with free surface and a projection methods with a recent formulation defined as surface laplacian. The purpose of this formulation is to improve the description of the force of stress tension and quantities, as curvature and tangent and normal vectors, present at the interface. Thus, an alternative normal stress condition is defined, and when this is discretized implicitly and combined with the employ of projection method, describe the surface laplacian formulation, whose solution is used as boundary condition to solve the system of equations describing the flow. The new formulation is intended to solve the tridiagonal system of equations generated at the interface, and to use this solution as a boundary condition at free surface for the linear system of the pressure correction inside of domain, which results of the application of the projection method. The new equation used to define the normal stress condition considers quantities defined in the Eulerian mesh, in the Marker-And-Cell context (MAC), that should be projected on the Lagrangian mesh. In addition, in the new equation, it is also considered the influence of the curvature and normal and tangential vectors in your description, so that a detailed study of differential geometry for this computation is important. Finally, variations of the surface laplacian formulation for finite differences are applied for solving numerical tests of the drop oscillation and sessile drop which have reference solutions, beyond of the simulation of a problem with free surface moving (fountain flow). In these tests, we concluded that the most accurate and stable variation is the one that applies a discretization of the normal stress equation using the mean of values in the MAC mesh. / FAPESP: 2015/01243-0

Dans le domaine de la mise en forme industrielle, des outils de simulation comme le logiciel Pam-stamp 2G permettent entre autres le prototypage et l’optimisation numérique des produits, réduisant ainsi les coûts expérimentaux de mise au point. Les éléments finis de type coques en hypothèse d’état plan de contrainte demeurent les plus utilisés car ils permettent une prise en compte réaliste des déformations majeures de membrane et de flexion. Cependant, de par leur définition, la contrainte normale pouvant apparaitre en cas de compression du flan dans la direction de l’épaisseur ou encore de flexion extrême sur petit rayon est systématiquement omise. De plus, Il existe de nouveaux procédés de mise en forme de tôle, comme le pliage/sertissage/emboutissage avec laminage et/ou écrasement ainsi que l’hydroformage, qui ne peuvent pas être traités avec ces formulations d’éléments coques classiques. L’utilisation de couches d’éléments volumiques est souvent considérée comme une alternative non convenable aux simulations de ces procédés. Outre le très haut coût CPU, s’ajoutent le rendu parfois non réaliste ainsi que la complexité liée à la découpe du maillage du flan. Récemment, des éléments de type “solid-shell” ont été mis à contribution mais requièrent des améliorations quant à leurs lois de comportements. L’objectif d’ESI group consiste en l’élaboration, l’évaluation, l’implémentation et la validation industrielle d’une nouvelle formulation d’élément fini. Cet élément devra permettre la gestion d’une éventuelle variation d’épaisseur avec prise en compte réaliste de la contrainte normale, tout en assurant des résultats dignes de ceux d’une coque conventionnelle en flexion. Une nouvelle formulation de type coque 3D est ainsi d’abord proposée. Des éléments coques triangulaires et quadrangulaire en théorie de Mindlin et de Kirchhoff sont utilisés. Cette approche est d’abord développée dans un solveur quasi-statique implicite de l’INSA de Lyon pour validation numérique sur cas académiques linéaires et non linéaires de référence. Une validation expérimentale sur opération de pliage dépliage est également réalisée. Aux vues des non linéarités dues au contact avec frottement, grandes déformations et grands déplacements posant des soucis de convergence en implicite au cours de la simulation d’opérations de mise en forme, la méthode est ensuite développée dans le solveur explicite de l’INSA de Lyon. Seuls les éléments en théorie de Mindlin sont considérés. Les particularités liées à cette méthode de résolution dynamique comme la matrice de masse, le pas de temps critique et l’optimisation du CPU sont traitées. Une nouvelle méthode de contact dédiée aux opérations de mise en forme impliquant du laminage et/ou de l’amincissement est également proposée. Elle permet une transition automatique d’éléments standards vers des éléments coque "3D", palliant ainsi le remaillage. Des essais de mise en forme en U avec ou sans laminage apportent une validation expérimentale concernant le retour élastique. Une fois validées, les techniques et formulations les plus abouties sont implémentées dans le code industriel dédié à la mise en forme Pam-stamp 2G v2011. Après une vérification sur tests de référence, des applications sont enfin menées sur cas critiques inspirés de procédés industriels complexes et nécessitant essentiellement une loi de comportement 3D. / In the sheet metal forming industry, shell elements in plane-stress assumption are employed, as they perform quite well in simulating the major membrane and flexural large deformations involved. However, the normal stress, caused by compression along thickness direction of the blank or local high bending over very small radii, is hence systematically omitted. Besides, when it comes to unusual and challenging processes such as hydro-forming, thinning/thickening, forming with ironing, bottoming and so on, makeshift solutions such as layers of 3D solid hexahedrons or even recent “solid-shell” elements are no longer appropriate. An innovative 3D finite element formulation methodology overcoming the overcoming the plane-stress definition of classification shell elements, while keeping their very good bending assets is first proposed in this work. The method basically consists in adding a central node endowed with two degrees of freedom at the element center. These two extra translations normal to the element mid-plane give a new quadratic displacement field along the shell normal direction. A derivative normal strain can hence be expressed and a linear normal stress comes via a full 3D constructive law. A very pioneering contact technique, dedicated to forming processes with ironing, thinning/bottoming operations and allowing a usual-to-enhanced automatic element switch is developed as well. Once widely assessed, most interesting achievements are implemented in the dynamic explicit industrial code Pam-stamp 2 G v2011 and evaluated over critical industrial forming processes that require essentially a full 3D strain-stress behavior.