A recently mandated change in the use of pharmaceutical propellants spurred the development and reevaluation of aerosolized pharmaceuticals. Chlorofluorocarbon (CFC) propellants were commonly used in pressurized metered dose inhalers (MDIs), but were unfortunately linked to the depletion of the ozone layer. As such, a search for new propellants was initiated and ultimately resulted in the implementation of hydrofluoroalkane (HFA) propellants in MDIs. These HFA propellants however demonstrated significantly different properties than CFCs and necessitated a considerable amount of reformulation efforts. Not only did HFAs demonstrate different physiochemical properties, but in some cases these differences necessitated reengineering of the delivery device. Unfortunately HFA propellants are considered greenhouse gasses, albeit to a lesser degree than CFCs, so the development of alternate delivery methods has been ongoing. One delivery method that has received significant attention and resources is dry powder inhalers (DPIs). DPIs are a propellant-free alternative to aerosolized drug delivery, and demonstrate some advantages and disadvantages compared to the use of MDIs and nebulizers.In addition to the modernization of pharmaceutical agents, excipients, and delivery devices, technological advances have allowed for different and/or improved characterization of pharmaceutical aerosols. Particle size characteristics of aerosols are the primary physical measure examined and are relevant to ensure proper and reproducible drug delivery to the lung. Likewise, chemical analysis of the pharmaceutical agent is extremely important for pharmaceutical development and monitoring, including solubility determination, stability monitoring, and ultimately, dose emitted. Because many limitations exist in characterization however, and because experimental means can be costly with regard to labor and materials, prediction of aerosol performance characteristics based on formulation and device variables are valuable.Previous work predicting the performance of solution based MDIs has opened the door for improved prediction of suspension based MDI systems. Suspension aerosol prediction has been examined in the past, but additional information is now available to more appropriately model suspension MDI systems that include polydisperse drug material and emit polydisperse droplets.

Full-motion driving simulators require efficient real-time high fidelity vehicle models in order to provide a more realistic vehicle response. Typically, multi-body models are used to represent the vehicle dynamics, but these have the unfortunate drawback of requiring the solution of a set of coupled differential algebraic equations (DAE). DAE's are not conducive to real-time implementation such as in a driving simulator, without a very expensive processing capability. The primary objective of this thesis is to show that multi-body models constructed from DAE's can be reasonably approximated with linear models using suspension elements that have nonlinear constitutive relationships. Three models were compared in this research, an experimental quarter-car test rig, a multi-body dynamics differential algebraic equation model, and a linear model with nonlinear suspension elements. Models constructed from differential algebraic equations are computationally expensive to compute and are difficult to realize for real-time simulations. Instead, a linear model with nonlinear elements was proposed for a more computationally efficient solution that would retain the nonlinearities of the suspension. Simplifications were made to the linear model with nonlinear elements to further reduce computation time for real-time simulation. The development process of each model is fully described in this thesis. Each model was excited with the same input and their outputs were compared. It was found that the linear model with nonlinear elements provides a reasonably good approximation of actual model with the differential algebraic equations. / Master of Science

O propósito desta dissertação consiste em realizar um estudo do comportamento dinâmico lateral da caixa de um veículo ferroviário. Inicialmente fez-se uma abordagem do estado da arte referente à utilização de suspensões pneumáticas, sobre o funcionamento de sistemas de nivelamento, flexibilidade de caixas em análise dinâmica e irregularidades de vias férreas. Em seguida, definiu-se um modelo físico de um veículo ferroviário e, após determinadas simplificações, chegou-se a um sistema de nove graus de liberdade composto de uma caixa e dois truques de um rodeiro cada. Uma vez deduzidas as equações diferenciais de movimento, desenvolveram-se duas soluções capazes de fornecer resultados temporais e no domínio da freqüência. Através da primeira delas, a solução analítica, obtêm-se as respostas em freqüência e temporal dos movimentos lateral, roll e yaw da caixa para excitações de rotação longitudinal dos rodeiros. O segundo tipo de solução, por integração numérica, possui como excitações de entrada os deslocamentos verticais e rotacionais dos rodeiros e, como saídas, os movimentos nos nove graus de liberdade definidos para o sistema. Outra propriedade da solução por integração numérica é sua capacidade de simular suspensões secundárias lineares e não lineares. O artigo \"Manchester Benchmarks for rail vehicle simulation\" (IWNICKI, 1999) forneceu os parâmetros que definem o veículo e os princípios de irregularidades da via. Três tipos de comparações foram conduzidas, na primeira delas os resultados da análise modal deste trabalho foram confrontados com os resultados publicados pelos participantes do Benchmark e a proximidade entre eles permite fazer sua validação. O segundo tipo de comparação foi feito entre os resultados temporais das soluções analítica e por integração numérica e, o terceiro, entre simulações por integração numérica utilizando suspensões secundárias lineares e não lineares. Neste último caso, os resultados mostram que a linearização das suspensões secundárias podem ser feitas sem que haja diferenças significativas uma vez que os deslocamentos e ângulos são pequenos. Finalmente, elaborou-se uma análise para verificar a influência da variação da rigidez vertical das suspensões secundárias nas amplitudes, acelerações e no valor médio quadrático da aceleração (rms) dos movimentos laterais da caixa no domínio da freqüência. Os resultados obtidos permitem dizer que para a faixa de freqüência de maior sensibilidade do ser humano às vibrações laterais, entre 0,5 Hz e 2 Hz segundo a norma ISO 2631, há uma redução das vibrações dos movimentos lateral e roll da caixa, quando tais rijezas são reduzidas. Porém, as conseqüências da variação deste parâmetro nos demais modos de vibrar e na estabilidade do veículo constituem um estudo que pode ser realizado em um trabalho futuro. / This master\'s thesis aims at studying the lateral dynamic behavior of a railway vehicle\'s bodyshell. First is examined the state of the art related to the use of pneumatic suspensions, to leveling systems\' operation, to carbody flexibility\'s dynamic analysis and to railway\'s irregularities. The definition of the physical modeling of rail vehicle is carried out, followed by a number of simplifications, from which is defined a system with nine degrees of freedom, made up of a carbody and two bogies with one wheelset each. Once the motion\'s differential equations are defined, two solutions are carried out, capable of producing results in both time and frequency domains. The first one enables to display time and frequency responses of the carbody lateral displacement, roll and yaw for longitudinal rotation excitations of the wheelsets. The second type of solution that is obtained through numerical integration, deals with rolling and vertical displacement of the wheelsets as input data, and outputs the movements of the nine degrees of freedom defined for the system. The numerical integration solution also has the advantage of being capable of simulating linear as well as non linear secondary suspensions. The article \"Manchester Benchmarks for rail simulation\" (IWNICKI, 1999) provides the parameters that define the vehicle and the irregularities\' principles of the railway. Three types of comparisons were carried out. In the first, the results of this work\'s modal analysis were confronted to the results published by the participants of the benchmark, and the proximity of them was worth validation. The second type of comparison was made between the time domain results of both analytic and numerical integration solutions, and the third between numerical integration simulations using linear and non linear secondary suspensions. This last comparison show that the linearization of secondary suspensions can be done without afecting the results for small displacements and angles. Finally, an analysis is made up so as to verify how the vertical stiffness of secondary suspension affects the lateral displacement, acceleration and the rootmean-square (rms) accelerations of the carbody in frequency domain. The result of this work allows concluding that in the frequency range of maximal sensibility to the human being to lateral vibrations, that is between 0.5 Hz and 2 Hz according to ISO263-1, a decrease of the lateral and roll vibrations of the carbody occurs when this stifness is reduced. However this parameter\'s variations consequences on other vibration modes and on the vehicle stability could be analyzed in greater depth in a future study.

O sistema de suspensão de um veículo desempenha papel fundamental na isolação das vibrações provenientes da pista e de outras fontes de excitações e tem como alguns de seus objetivos: melhoria do conforto dos passageiros, manutenção da integridade das cargas e das vias (asfalto), aumento da segurança, proporcionando melhores condições de aderência pneu-piso, etc. A predição do desempenho de um sistema de suspensão veicular antes da construção de um protótipo físico, permite o dimensionamento prévio dos componentes que o integram com maior precisão, otimizando-se, desta forma, o custo final do produto bem como custos e prazos decorrentes de modificações para solucionar problemas que seriam detectados somente na experimentação do protótipo físico. Este trabalho apresenta um comparativo entre os resultados analíticos obtidos utilizando-se as funções transferências de um modelo simplificado (ou clássico) linear de uma suspensão automotiva de 1/4 de veículo (quarter-car); dos obtidos através da utilização de um protótipo virtual do mesmo modelo simplificado (ou clássico) de 1/4 de veículo e, por fim, dos obtidos utilizando-se um protótipo virtual de um sistema de suspensão do tipo MacPherson, sendo que os protótipos virtuais podem trabalhar com não-linearidades. São obtidas as respostas dinâmicas no domínio da frequência (0 a 30 Hz) e também no domínio do tempo, neste último caso utilizando-se como entrada um pulso no pneu, que simula a passagem do veículo sobre um obstáculo a 18 Km/h. Os resultados são comparados objetivamente e conclui-se sobre as limitações de utilização do modelo simplificado (ou clássico) de 1/4 de veículo. / The performance of the suspension system of a vehicle is fundamental to isolate the vibrations from road and from other sources and has the following objetives: improve the comfort of passengers (ride), protect the cargo and the road (asphalt), improve vehicle handling, etc. The prediction of the performance of a vehicle´s suspension system prior to the real prototype construction, allows the previous optimization of the design of the suspension´s components, obtaining a low cost product, in a shorter timming, with lower development costs, by solving problems that would be evident only during the tests with the real prototype. This study presents a comparison between analitycal results obtained by the use of transfers functions of a plain or classical linear model of a automotive suspension system named quarter-car; the results obtained from a virtual prototype of the same plain or classical model and, finally, the results obtained from a virtual prototype of a Macpherson suspension system, considering that the virtuals prototypes are be able to work with non-linearities. The dynamic response are obtained in the frequency domain (0 a 30 Hz) and in the time domain too, in this last case, with a pulse input in the tire, that simulates the car passing over a bump with a speed of 18 Km/h. Through the comparison of the results is possible to conclude about the limitations of the classical model.

O propósito desta dissertação consiste em realizar um estudo do comportamento dinâmico lateral da caixa de um veículo ferroviário. Inicialmente fez-se uma abordagem do estado da arte referente à utilização de suspensões pneumáticas, sobre o funcionamento de sistemas de nivelamento, flexibilidade de caixas em análise dinâmica e irregularidades de vias férreas. Em seguida, definiu-se um modelo físico de um veículo ferroviário e, após determinadas simplificações, chegou-se a um sistema de nove graus de liberdade composto de uma caixa e dois truques de um rodeiro cada. Uma vez deduzidas as equações diferenciais de movimento, desenvolveram-se duas soluções capazes de fornecer resultados temporais e no domínio da freqüência. Através da primeira delas, a solução analítica, obtêm-se as respostas em freqüência e temporal dos movimentos lateral, roll e yaw da caixa para excitações de rotação longitudinal dos rodeiros. O segundo tipo de solução, por integração numérica, possui como excitações de entrada os deslocamentos verticais e rotacionais dos rodeiros e, como saídas, os movimentos nos nove graus de liberdade definidos para o sistema. Outra propriedade da solução por integração numérica é sua capacidade de simular suspensões secundárias lineares e não lineares. O artigo \"Manchester Benchmarks for rail vehicle simulation\" (IWNICKI, 1999) forneceu os parâmetros que definem o veículo e os princípios de irregularidades da via. Três tipos de comparações foram conduzidas, na primeira delas os resultados da análise modal deste trabalho foram confrontados com os resultados publicados pelos participantes do Benchmark e a proximidade entre eles permite fazer sua validação. O segundo tipo de comparação foi feito entre os resultados temporais das soluções analítica e por integração numérica e, o terceiro, entre simulações por integração numérica utilizando suspensões secundárias lineares e não lineares. Neste último caso, os resultados mostram que a linearização das suspensões secundárias podem ser feitas sem que haja diferenças significativas uma vez que os deslocamentos e ângulos são pequenos. Finalmente, elaborou-se uma análise para verificar a influência da variação da rigidez vertical das suspensões secundárias nas amplitudes, acelerações e no valor médio quadrático da aceleração (rms) dos movimentos laterais da caixa no domínio da freqüência. Os resultados obtidos permitem dizer que para a faixa de freqüência de maior sensibilidade do ser humano às vibrações laterais, entre 0,5 Hz e 2 Hz segundo a norma ISO 2631, há uma redução das vibrações dos movimentos lateral e roll da caixa, quando tais rijezas são reduzidas. Porém, as conseqüências da variação deste parâmetro nos demais modos de vibrar e na estabilidade do veículo constituem um estudo que pode ser realizado em um trabalho futuro. / This master\'s thesis aims at studying the lateral dynamic behavior of a railway vehicle\'s bodyshell. First is examined the state of the art related to the use of pneumatic suspensions, to leveling systems\' operation, to carbody flexibility\'s dynamic analysis and to railway\'s irregularities. The definition of the physical modeling of rail vehicle is carried out, followed by a number of simplifications, from which is defined a system with nine degrees of freedom, made up of a carbody and two bogies with one wheelset each. Once the motion\'s differential equations are defined, two solutions are carried out, capable of producing results in both time and frequency domains. The first one enables to display time and frequency responses of the carbody lateral displacement, roll and yaw for longitudinal rotation excitations of the wheelsets. The second type of solution that is obtained through numerical integration, deals with rolling and vertical displacement of the wheelsets as input data, and outputs the movements of the nine degrees of freedom defined for the system. The numerical integration solution also has the advantage of being capable of simulating linear as well as non linear secondary suspensions. The article \"Manchester Benchmarks for rail simulation\" (IWNICKI, 1999) provides the parameters that define the vehicle and the irregularities\' principles of the railway. Three types of comparisons were carried out. In the first, the results of this work\'s modal analysis were confronted to the results published by the participants of the benchmark, and the proximity of them was worth validation. The second type of comparison was made between the time domain results of both analytic and numerical integration solutions, and the third between numerical integration simulations using linear and non linear secondary suspensions. This last comparison show that the linearization of secondary suspensions can be done without afecting the results for small displacements and angles. Finally, an analysis is made up so as to verify how the vertical stiffness of secondary suspension affects the lateral displacement, acceleration and the rootmean-square (rms) accelerations of the carbody in frequency domain. The result of this work allows concluding that in the frequency range of maximal sensibility to the human being to lateral vibrations, that is between 0.5 Hz and 2 Hz according to ISO263-1, a decrease of the lateral and roll vibrations of the carbody occurs when this stifness is reduced. However this parameter\'s variations consequences on other vibration modes and on the vehicle stability could be analyzed in greater depth in a future study.

O sistema de suspensão de um veículo desempenha papel fundamental na isolação das vibrações provenientes da pista e de outras fontes de excitações e tem como alguns de seus objetivos: melhoria do conforto dos passageiros, manutenção da integridade das cargas e das vias (asfalto), aumento da segurança, proporcionando melhores condições de aderência pneu-piso, etc. A predição do desempenho de um sistema de suspensão veicular antes da construção de um protótipo físico, permite o dimensionamento prévio dos componentes que o integram com maior precisão, otimizando-se, desta forma, o custo final do produto bem como custos e prazos decorrentes de modificações para solucionar problemas que seriam detectados somente na experimentação do protótipo físico. Este trabalho apresenta um comparativo entre os resultados analíticos obtidos utilizando-se as funções transferências de um modelo simplificado (ou clássico) linear de uma suspensão automotiva de 1/4 de veículo (quarter-car); dos obtidos através da utilização de um protótipo virtual do mesmo modelo simplificado (ou clássico) de 1/4 de veículo e, por fim, dos obtidos utilizando-se um protótipo virtual de um sistema de suspensão do tipo MacPherson, sendo que os protótipos virtuais podem trabalhar com não-linearidades. São obtidas as respostas dinâmicas no domínio da frequência (0 a 30 Hz) e também no domínio do tempo, neste último caso utilizando-se como entrada um pulso no pneu, que simula a passagem do veículo sobre um obstáculo a 18 Km/h. Os resultados são comparados objetivamente e conclui-se sobre as limitações de utilização do modelo simplificado (ou clássico) de 1/4 de veículo. / The performance of the suspension system of a vehicle is fundamental to isolate the vibrations from road and from other sources and has the following objetives: improve the comfort of passengers (ride), protect the cargo and the road (asphalt), improve vehicle handling, etc. The prediction of the performance of a vehicle´s suspension system prior to the real prototype construction, allows the previous optimization of the design of the suspension´s components, obtaining a low cost product, in a shorter timming, with lower development costs, by solving problems that would be evident only during the tests with the real prototype. This study presents a comparison between analitycal results obtained by the use of transfers functions of a plain or classical linear model of a automotive suspension system named quarter-car; the results obtained from a virtual prototype of the same plain or classical model and, finally, the results obtained from a virtual prototype of a Macpherson suspension system, considering that the virtuals prototypes are be able to work with non-linearities. The dynamic response are obtained in the frequency domain (0 a 30 Hz) and in the time domain too, in this last case, with a pulse input in the tire, that simulates the car passing over a bump with a speed of 18 Km/h. Through the comparison of the results is possible to conclude about the limitations of the classical model.

This research undertakes the problem of vibration control of vehicular and structural systems using intelligent materials and controllable devices. Advanced modeling tools validated with experimental test data are developed to help with understanding the fundamentals as well as advanced and novel applications of smart and conventional suspension systems. The project can be divided into two major parts. The first part is focused on development of novel smart suspensions using Magneto-Rheological (MR) fluids in unique configurations in order to improve efficiency, controllability, and safety of today's vehicles. In this part of the research, attention is paid to fundamentals as well as advanced applications of MR technology. Extensive rheological studies, both theoretical and experimental, are performed to understand the basic behaviors of MR fluids as complex non-Newtonian fluids in novel applications. Using the knowledge obtained from fundamental studies of MR fluids, unique application concepts are investigated that lead to design, development, and experimental testing of two new classes of smart devices: MR Hybrid Dampers and MR Squeeze Mounts. Multiple generations of these devices are built and tested as proof of concept prototypes. Advanced physics-based mathematical models are developed for these devices. Experimental test data are used to validate the models and great agreement is obtained. The models are used as design tools at preliminary as well as detailed design stages of device development. The significant finding in this part of the research is that MR fluids can deliver a much larger window of controllable force in squeeze mode compared to shear and valve modes which can be used in various applications. The second part of the research is devoted to the development of innovative design tools for suspension design and tuning. Various components of suspension systems are studied and modeled using a new physics-based modeling approach. The component of main interest is the shim stack assembly in hydraulic dampers which is modeled using energy and variational methods. A major finding is that the shims should be modeled individually in order to represent the sliding effects properly when the shim stack is deflected. Next, the individual component models are integrated into a full suspension model. This model is then used as a tool for suspension design, synthesis, and tuning. Using this design tool, suspension engineers in manufacturing companies and other industrial sections can easily perform parametric studies without the need to carry out time consuming and expensive field and laboratory tests. / Ph. D.