Raw material accounts for a large proportion (approximately 75 percent) of a sawmill’s operating costs. However, about 15 percent of raw material ends up as low valued sawdust and planer shavings due to inaccurate cutting. Sizable financial benefits can be realized through maximizing conversion of raw material into valuable solid wood. Advanced process control in a sawmill can help achieve straighter cuts closer to final product dimensions and reduce loss of valuable raw material. A novel and practical method for enhanced process control in a sawmill is presented. A laser arrangement consisting of industrial point and line scanners is used to obtain a surface profile of the entire (two-dimensional) top and bottom surfaces of a lumber board. Each surface profile is independent of the other and free of data contamination caused by relative motions between the measured surface and sensors. Point scanners and line scanners simultaneously record 1-D and 2-D height data, respectively, along the length of the board. One-dimensional height data are used to identify relative motions through a mathematical technique based on linear inverse theory. Subtracting relative motion information from raw line scanner data provides an accurate 2-D surface profile. A second line scanner placed below the board can be used to obtain a separate 2-D profile of the bottom lumber surface. Separate-sided profiling is advantageous because typically a different saw or machine mills each side of a board. Thus, knowing the surface profile of each side of a board is crucial not only in diagnosing a deficiency in the milling process but also in determining the location of this deficiency. Results demonstrate that two-dimensional surface profiling can identify common surface defects such as step, washboard and knot tear-out with an accuracy of 0.3mm. Reproduction of each surface is rapid (approximately 0.2 seconds) and stable.

Raw material accounts for a large proportion (approximately 75 percent) of a sawmill’s operating costs. However, about 15 percent of raw material ends up as low valued sawdust and planer shavings due to inaccurate cutting. Sizable financial benefits can be realized through maximizing conversion of raw material into valuable solid wood. Advanced process control in a sawmill can help achieve straighter cuts closer to final product dimensions and reduce loss of valuable raw material. A novel and practical method for enhanced process control in a sawmill is presented. A laser arrangement consisting of industrial point and line scanners is used to obtain a surface profile of the entire (two-dimensional) top and bottom surfaces of a lumber board. Each surface profile is independent of the other and free of data contamination caused by relative motions between the measured surface and sensors. Point scanners and line scanners simultaneously record 1-D and 2-D height data, respectively, along the length of the board. One-dimensional height data are used to identify relative motions through a mathematical technique based on linear inverse theory. Subtracting relative motion information from raw line scanner data provides an accurate 2-D surface profile. A second line scanner placed below the board can be used to obtain a separate 2-D profile of the bottom lumber surface. Separate-sided profiling is advantageous because typically a different saw or machine mills each side of a board. Thus, knowing the surface profile of each side of a board is crucial not only in diagnosing a deficiency in the milling process but also in determining the location of this deficiency. Results demonstrate that two-dimensional surface profiling can identify common surface defects such as step, washboard and knot tear-out with an accuracy of 0.3mm. Reproduction of each surface is rapid (approximately 0.2 seconds) and stable.

Raw material accounts for a large proportion (approximately 75 percent) of a sawmill’s operating costs. However, about 15 percent of raw material ends up as low valued sawdust and planer shavings due to inaccurate cutting. Sizable financial benefits can be realized through maximizing conversion of raw material into valuable solid wood. Advanced process control in a sawmill can help achieve straighter cuts closer to final product dimensions and reduce loss of valuable raw material. A novel and practical method for enhanced process control in a sawmill is presented. A laser arrangement consisting of industrial point and line scanners is used to obtain a surface profile of the entire (two-dimensional) top and bottom surfaces of a lumber board. Each surface profile is independent of the other and free of data contamination caused by relative motions between the measured surface and sensors. Point scanners and line scanners simultaneously record 1-D and 2-D height data, respectively, along the length of the board. One-dimensional height data are used to identify relative motions through a mathematical technique based on linear inverse theory. Subtracting relative motion information from raw line scanner data provides an accurate 2-D surface profile. A second line scanner placed below the board can be used to obtain a separate 2-D profile of the bottom lumber surface. Separate-sided profiling is advantageous because typically a different saw or machine mills each side of a board. Thus, knowing the surface profile of each side of a board is crucial not only in diagnosing a deficiency in the milling process but also in determining the location of this deficiency. Results demonstrate that two-dimensional surface profiling can identify common surface defects such as step, washboard and knot tear-out with an accuracy of 0.3mm. Reproduction of each surface is rapid (approximately 0.2 seconds) and stable. / Applied Science, Faculty of / Mechanical Engineering, Department of / Graduate

Rail corrugation is a periodic wear pattern that develops on the wheel and rail contacting surfaces in railway systems. It is a commonly observed phenomenon worldwide and is a serious problem because it causes degradation of the track and its components and is a significant source of noise. Currently the only reliable method of ameliorating the negative effects of rail corrugation is to periodically regrind the rail surface to a smooth profile, at great expense to the railway operator. It is therefore of interest to investigate other possible control strategies to reduce corrugation growth through an understanding of the mechanism of corrugation formation. This thesis presents an investigation into the effect of speed variation on the corrugation formation mechanism. The research presented is intended to highlight the significant role that speed variation has on corrugation formation via a disruption of the feedback mechanism which leads to corrugation growth over successive train passages. This discovery motivates the investigation the feasibility of altered speed variation as a novel corrugation control method, due to the large effect that the variance of train speed has on corrugation growth rates. The effect of variable pass speed on corrugation formation has been investigated in this thesis through the use of efficient models of corrugation formation in straight track and cornering conditions. These models are simple enough to readily perform corrugation control studies without neglecting any relevant physics, obscuring the corrugation formation mechanism with overly detailed modelling or imposing a significant computational burden on performing control studies. These novel models have been outlined and their predictions elucidated in detail. A theoretical investigation into the effect of speed variation in the presence of a resonance free mechanism for corrugation growth via a contact filter has been performed and shown to only be important when the dynamic wavelength of formation approaches the size of the contact patch. The results of these corrugation models have been validated via test rig and field experiments. An investigation of the effectiveness of speed variation as a corrugation growth control measure has also been investigated via test rig experiments. The results of this thesis have formed the basis of an industry supported field trail of this technique for corrugation mitigation that is currently in progress.

L'usure ondulatoire des rails associée aux vibrations de torsion des essieux de métro a été mise en évidence il y a près d'un demi siècle. L'utilisation d'absorbeurs dynamiques comme solution potentielle à ce problème a été suggérée pour la première fois dans le projet américain du TCRP "Rail Corrugation Mitigation in Transit" en 1998. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet européén "Wheel-rail CORRUGATION in Urban transport", a pour objectif de concevoir un absorbeur dynamique et d'étudier son influence sur la réduction de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion. Dans le cadre de ce travail, d'autres types d'usure ondulatoire ont également été traités par des absorbeurs dynamiques. Les trois premiers chapitres de cette thèse sont dédiés à la description des différents types d'usure ondulatoire et à la présentation des méthodes de prédiction. La méthode de dimensionnement des absorbeurs dynamiques est présentée au chapitre 4, ainsi que quelques perspectives de leur efficacité à réduire l'usure ondulatoire. Dans le chapitre 5, un tronçon réel du RER parisien a été étudié. D'une part les prédictions obtenues par différentes méthodes ont été comparées aux mesures sur site. D'autre part, le bénéfice résultant de l'utilisation d'un absorbeur dynamique a été étudié numériquement. Dans le chapitre 6, le cas de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion a été étudié spécifiquement. Un absorbeur dynamique a été développé pour réduire ce type d'usure ondulatoire. Son efficacité a été évaluée théoriquement et numériquement, avec un modèle multi-corps flexible du véhicule et de la voie. Dans le chapitre 7, un absorbeur dynamique visant à réduire les vibrations de torsion d'un essieu de métro à échelle réduite a été construit au laboratoire. Son efficacité a été validée expérimentalement en reproduisant les conditions d'apparition des vibrations de torsion de l'essieu sur le banc d'essais du Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'INRETS. La correspondance entre les prédictions d'usure à échelle réduite et à échelle réelle a été établie. Une demande de brevet a été déposée par le Laboratoire des Structures Actives pour ce système (N° 06120344.4).

Ce travail réalisé dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société ALSTOM Transport porte sur l'étude de la dégradation des voies ferrées urbaines. Les composantes de voie retenus pour cette étude sont le rail et la dalle de voie en béton. Concernant le rail, différents problèmes sont abordés : contact roue – rail, usure du rail, usure ondulatoire du rail, et fatigue de contact de roulement (RCF) du rail. Un outil numérique avec des interfaces graphiques, nommé CONUS, est développé pour le problème de contact roue – rail et le problème d'usure du rail. Des théories classiques (Hertz, Kalker, Archard, etc.) sont implantées dans cet outil. La méthode stationnaire est implantée dans un code de calcul par éléments finis pour étudier l'état asymptotique de l'acier du rail sous le chargement répété des trains. Ceci nous permet de prédire les régimes de RCF du rail. La mécanique de l'endommagement est utilisée pour prédire la fatigue du matériau béton. Le formalisme de Marigo couplé avec le modèle d'endommagement de Mazars permet de modéliser la dégradation progressive de la rigidité du matériau sous chargement cyclique. Une campagne d'essais de fatigue du béton en flexion a été réalisée. Elle a pour but de valider le modèle théorique et d'identifier les paramètres du matériau. Le dimensionnement d'une dalle de voie en béton a fait l'objet d'une application de cette méthode. Le modèle de réseau de poutres (lattice model) a été utilisé pour étudier la propagation des fissures dans les structures en béton. Ce modèle a été implanté dans le logiciel de calcul par éléments finis, CESAR-LCPC. Les résultats numériques (propagation de fissures) obtenus pour les structures simples sous chargement statique sont en tout point comparables avec les résultats d'essais expérimentaux. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier la fissuration sous chargement de fatigue. Pour cela un modèle d'endommagement simple modélisant la dégradation des éléments «poutres» s'est avéré suffisant pour décrire la cinématique de propagation des fissures / This work is part of the collaboration between the laboratory Navier (UMR ENPC /IFSTTAR/ CNRS) and ALSTOM Transport company (TGS/Trackway). It focuses on the study of the degradation of urban railways. The components of track considered in this study are the rail and the concrete slab. Regarding the rail, different problems are discussed : wheel – rail contact, rail wear, rail corrugation and rolling contact fatigue (RCF). A numerical tool with graphical interfaces, called CONUS, is developed to predict the behaviour of the wheel - rail contact, the rail wear, and the rail corrugation problems. Classical theories (Hertz, Kalker, Archard, etc...) are implemented in this tool. The stationary method is implemented in a finite element software to study the asymptotic state of the rail steel under repeated loading of trains.The damage mechanics is used to predict the fatigue life of concrete. Marigo's formalism coupled with Mazars' damage model is used to predict the gradual degradation of material stiffness under cyclic loading. A campaign of fatigue tests for concrete in bending was conducted. It aims at validating the theoretical model and identifying material parameters. We applied this method in order to design the concrete slabs of urban railway. The lattice model was used to study the crack propagation in concrete structures. This model was implemented in the finite element software, CESAR-LCPC. The numerical results obtained for simple structures under static loading are consistent with the results of laboratory experiments. This model was then used to study the crack propagation under fatigue loading. For that purpose, a simple damage model of degradation of the "beams" elements describes the kinematics of crack propagation with a satisfying accuracy

L'usure ondulatoire des rails associée aux vibrations de torsion des essieux de métro a été mise en évidence il y a près d'un demi siècle. L'utilisation d'absorbeurs dynamiques comme solution potentielle à ce problème a été suggérée pour la première fois dans le projet américain du TCRP "Rail Corrugation Mitigation in Transit" en 1998. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet européén "Wheel-rail CORRUGATION in Urban transport", a pour objectif de concevoir un absorbeur dynamique et d'étudier son influence sur la réduction de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion. Dans le cadre de ce travail, d'autres types d'usure ondulatoire ont également été traités par des absorbeurs dynamiques.<p><p>Les trois premiers chapitres de cette thèse sont dédiés à la description des différents types d'usure ondulatoire et à la présentation des méthodes de prédiction. La méthode de dimensionnement des absorbeurs dynamiques est présentée au chapitre 4, ainsi que quelques perspectives de leur efficacité à réduire l'usure ondulatoire. Dans le chapitre 5, un tronçon réel du RER parisien a été étudié. D'une part les prédictions obtenues par différentes méthodes ont été comparées aux mesures sur site. D'autre part, le bénéfice résultant de l'utilisation d'un absorbeur dynamique a été étudié numériquement. Dans le chapitre 6, le cas de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion a été étudié spécifiquement. Un absorbeur dynamique a été développé pour réduire ce type d'usure ondulatoire. Son efficacité a été évaluée théoriquement et numériquement, avec un modèle multi-corps flexible du véhicule et de la voie. Dans le chapitre 7, un absorbeur dynamique visant à réduire les vibrations de torsion d'un essieu de métro à échelle réduite a été construit au laboratoire. Son efficacité a été validée expérimentalement en reproduisant les conditions d'apparition des vibrations de torsion de l'essieu sur le banc d'essais du Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'INRETS. La correspondance entre les prédictions d'usure à échelle réduite et à échelle réelle a été établie. Une demande de brevet a été déposée par le Laboratoire des Structures Actives pour ce système (N° 06120344.4). / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished