Dans le cadre d'un projet sur la mesure du potentiel électrocinétique en régime dynamique, un montage a été conçu afin d'étudier ce phénomène. L'objectif global de ce projet consistait à concevoir un système qui permettrait la pulsation du fluide à travers un échantillon à très haute fréquence et la mesure de la différence de potentiel et de la différence de pression générée. Ce mémoire présente donc la conception, la fabrication et la caractérisation des différents systèmes servant à l'étude de ce phénomène. Dans un premier temps, une explication plus exhaustive du phénomène électrocinétique est présentée afin de bien comprendre les paramètres qui sont en jeu. Dans un second temps, une revue de littérature portant sur les différents systèmes conçus antérieurement est décrite, et ce, dans le but de les étudier afin d'en retirer un maximum d'informations pouvant être intéressantes pour la réalisation des nouveaux montages. Ensuite, une étude sur différents concepts de solution a été réalisée dans le but de déterminer la topologie à adopter pour la conception d'un premier montage. Des essais expérimentaux ont permis de mesurer la réponse en fréquence pour des échantillons non consolidés et de valider les choix technologiques pour l'étude en régime dynamique dont : le système de pulsation, les composantes électroniques et l'instrumentation. Finalement, un second concept à échantillon consolidé est présenté ainsi que des essais expérimentaux. Les essais ont permis de démontrer l'étendue de fréquence pouvant être atteinte ainsi que les limites d'une solution à pot vibrant.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Un nouveau concept d’hydrolienne basée sur des ailes oscillantes est étudié. La présente étude a pour but d’étudier l’hydrodynamique instationnaire d’une aile oscillante, d’optimiser son mouvement afin de maximiser l’extraction de puissance et de démontrer le potentiel d’une turbine à ailes oscillantes par une campagne expérimentale sur un prototype. L’analyse et l’optimisation de la turbine à ailes oscillantes ont été effectuées par simulations numériques à bas nombre de Reynolds (laminaire) ainsi qu’à haut nombre de Reynolds (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes; URANS). Une stratégie numérique 2D et 3D impliquant l’utilisation d’interfaces de glissement a été développée spécifiquement pour cette application de corps oscillants avec de grandes amplitudes de mouvement. À l’aide de cette stratégie numérique, une étude paramétrique fut effectuée et permit l’identification des paramètres dominants en ce qui a trait à la performance hydrodynamique de la turbine à ailes oscillantes. Basé sur un grand nombre de simulations, les zones optimales de production de puissance ont été identifiées dans les espaces paramétriques pertinents. De plus, des configurations spatiales optimales ont été identifiées pour le cas de turbines à ailes oscillantes en tandem. Le potentiel de l’hydrolienne à ailes oscillantes a été formellement établi dans ce travail grâce à une campagne expérimentale sur un prototype à ailes en tandem de 2 kW. La performance de ce dernier s’avéra compétitive avec celle des hydroliennes de type rotors à axe horizontal que l’on retrouve dans la majorité des designs d’hydrolienne proposés. Les données de la campagne expérimentale ont également permis de valider les résultats des simulations numériques par leur accord avec les simulations 3D. / A new concept of hydrokinetic turbine based on oscillating hydrofoils is investigated. The objective of this study is to analyze the unsteady hydrodynamics of oscillating foils, to optimize their motions for maximum power extraction and to demonstrate in practice the potential of such a concept of turbine through experiments on a prototype. The analysis and optimization have been conducted via low Reynolds number, laminar numerical simulations as well as high Reynolds number, Unsteady Reynolds- Averaged Navier-Stokes (URANS) computations. A 2D and 3D numerical methodology relying on the use of sliding interfaces and suitable to the case of foils undergoing oscillations of large amplitudes is presented. Using that numerical strategy, a parametric study is conducted and leads to the identification of the dominant parameters impacting the hydrodynamic performance of the oscillating-foil turbine. Based on a large number of simulations, the performance of the oscillating-foil turbine has been mapped in relevant parametric spaces. In addition, optimal spatial configurations of turbines with tandem foils is also provided. The potential of the oscillating-foils hydrokinetic turbine has also been formally established in this work through field tests on a 2kW tandem-foils prototype. Its performance has been found to be competitive with the best competing technologies based on horizontal-axis rotor-blades. The experimental data have also been used here to validate the numerical models and have been found to strongly support the 3D numerical simulations.

Dans la dernière décennie, plusieurs chercheurs ont démontré un intérêt concernant la possibilité de récupérer de l'énergie mécanique provenant de structures vibrantes. Une façon commune de procéder consiste à utiliser l'effet piézoélectrique direct à partir d'une poutre en porte-à-faux ayant des céramiques piézoélectriques intégrées. Les études portant sur la modélisation du phénomène se sont jusqu'ici limitées à des geometries simples de récupérateur tandis que peu d'études se sont intéressées à la modélisation d'une forme optimale de récupérateur. Les travaux de recherche de ce mémoire étudient donc le phénomène de récupération d'énergie vibratoire afin d'élaborer un design optimal de récupérateur piézoélectrique. Le phénomène piézoélectrique est d'abord décrit théoriquement afin que le volume piézoélectrique soit intégré adéquatement à une structure vibrante. Une analyse détaillée de modèles est ensuite réalisée pour faire ressortir les bases de la récupération d'énergie vibratoire. À la lumière de cette analyse, une modélisation semi-analytique est développée à partir des approximations de Rayleigh-Ritz et intégrée à un modèle électromécanique. Une fois validée, des études numériques sont réalisées avec ce modèle permettant ainsi de poser le problème d'optimisation de la géométrie du récupérateur. Un algorithme génétique est finalement utilisé pour maximiser la puissance récupérée. La géométrie optimale permet de récupérer une puissance de 62.8 mW lorsque le récupérateur est soumis à une source vibratoire ayant une amplitude d'accélération de 9.81 m.s⁻² et une fréquence d'excitation de 100 Hz, ce qui constitue une densité énergétique de 0.38 mW.g⁻¹.

Le développement d'un produit procède à partir d'une idée, d'un besoin identifié ou tout simplement d'une opportunité d'affaires. Les caractéristiques fonctionnelles sont généralement consignées dans un cahier des charges. Le concepteur fait ensuite appelle à son savoir-faire pour générer des solutions qui répondent aux spécifications de cahier des charges. La validation de certaines caractéristiques passe par le développement d'un prototype physique et par une batterie de tests. Pour certaines caractéristiques, telle que la fiabilité, qui s'exprime par la probabilité que le produit réalise la fonction pour laquelle il a été conçu dans des conditions données et dans un intervalle de temps donné, le processus de validation peut nécessiter un nombre important de prototypes physiques pour affirmer que la caractéristique est satisfaite avec un niveau de confiance donné. Le processus de validation peut se révéler coûteux et matériellement non réalisable pour un programme de mise en marché du produit. Ce mémoire propose une démarche et des outils qui permettent au concepteur de comprendre les mécanismes de défaillance des composants du produit, afin de réduire leur impact sur la tenue de ce dernier et enfin d'évaluer la probabilité de défaillance ou du bon fonctionnement.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Cette thèse présente les travaux de recherche doctorale en génie mécanique de Louis- Alexis Allen Demers effectués au Laboratoire de robotique de l’Université Laval sous la supervision du professeur Clément Gosselin. Cette étude comporte la synthèse, l’optimisation et le prototypage d’une main robotique sous-actionnée à cinq doigts. Le principe du sousactionnement mécanique est utilisé pour développer une main robotique qui a des capacités de préhension similaires à la main humaine, tout en limitant le nombre d’actionneurs requis pour la commander. Cette main a des dimensions semblables à la main humaine de manière à ce qu’elle soit fonctionnelle dans un milieu conçu pour les humains. De plus, une adaptation de la prise de la main est possible, autant en modifiant la force de préhension que la position des doigts et du pouce. L’analyse statique d’un doigt sous-actionné est d’abord effectuée. Plus particulièrement, les conditions permettant d’atteindre une prise stable pour laquelle toutes les forces de contact sont positives sont obtenues. Ainsi, les valeurs optimales pour les dimensions des poulies sont déterminées en fonction des longueurs des phalanges et des distributions élémentaires de forces établies. En utilisant ces deux distributions complémentaires efficacement, l’éjection de l’objet à saisir par un doigt à trois phalanges et deux réseaux de tendons est évitée. Par la suite, le problème général de positionnement d’un axe de rotation permettant d’obtenir des poses initiale et finale imposées est résolu. Cette analyse géométrique permet de concevoir un système de rotation du pouce afin d’obtenir les différentes configurations typiques de la main humaine. Un système d’abduction des doigts soit complètement plan, soit un hybride sphérique-plan est ensuite couplé à ce mécanisme. Ces architectures sont analysées afin de s’assurer d’obtenir les amplitudes d’abduction imposées ainsi que de minimiser l’erreur de coordination entre les métacarpiens. En dernier lieu, les différents mécanismes conçus dans cette thèse sont fabriqués, en plus d’un prototype de poignet et de système de sous-actionnement entre les doigts. Le prototype de main intégrant toutes ces parties est finalement utilisé pour prendre différents types d’objets. / This thesis presents the doctoral research in Mechanical Engineering of Louis-Alexis Allen Demers completed at the Laboratoire de robotique of Université Laval under the supervision of Prof. Clément Gosselin. This project covers the synthesis, optimization and prototyping of a five-finger robotic hand. The principles of mechanical underactuation are used to develop a robotic hand that has grasping capabilities similar to that of the human hand, while limiting the number of actuators required to control it. This hand has dimensions similar to those of the human hand in order to be functional in an environment designed for humans. In addition, an adaptation of the hand grip is possible, either by changing the grasping force or by varying the position of the fingers and thumb. A static analysis of an underactuated finger is first performed. In particular, the conditions for achieving stable grasp in which all contact forces are positive are obtained. Thus, the optimal values for the dimensions of the pulleys as a function of the lengths of the phalanges and the primary force distributions established are determined. Using these two complementary distributions effectively, the ejection of the object to be grasped by a finger with three phalanges and two tendon networks is avoided. Then, the general problem of positioning an axis of rotation to obtain initial and final prescribed poses is solved. This geometric analysis allows to design a system of rotation of the thumb in order to obtain the various typical configurations of the human hand. A system of abduction of the fingers, first completely planar, than a hybrid planar-spherical mechanism is then coupled with this mechanism. These architectures are analyzed in order to ensure that they can provide the prescribed abduction amplitudes and that the coordination error between the metacarpals is minimized. Finally, the various mechanisms designed in this thesis are built, in addition to a prototype of a wrist and the mechanism of underactuation between the fingers. The prototype hand integrating all these parts is ultimately used to grasp different types of objects.

Cet ouvrage traite des vibrations non linéaires pour un système discret à un degré de liberté. Deux types d'équations différentielles non linéaires sont étudiés. Il s'agit de l'équation de type polynomiale et l'équation à tronçons linéaires. L'équation différentielle polynomiale utilise les différentes puissances du déplacement et de la vitesse afin de représenter la raideur et l'amortissement. L'équation à tronçons linéaires est quant à elle définie par de multiples segments de droites. Deux types de problèmes sont considérés, soit le problème de la résolution de l'équation différentielle et le problème de l'identification de cette dernière à partir de mesures expérimentales. Pour les deux types d'équations différentielles à l'étude, des méthodes de résolution et d'identification sont développées. Les méthodes de résolution des deux équations différentielles sont issues de méthodes analytiques déjà existantes dans la documentation scientifique. Par contre, ces méthodes sont ici résolues de manière numérique, d'où l'appellation «méthodes semi-analytiques». L'identification de l'équation polynomiale se base sur la méthode des moindres carrés alors que la méthode d'identification de l'équation à tronçons linéaires est construite spécifiquement pour cette forme d'équation. Une étude expérimentale est conduite sur trois systèmes différents afin d'explorer la viabilité pratique des méthodes d'identification des paramètres. Ces trois systèmes utilisent le comportement non linéaire d'une mousse synthétique, des poutres à grande déformation et des poutres à grande déformation asymétriques.

Ce mémoire traite du problème des emballages destinés à la protection, à la conservation, au transport des produits et à l'information à la clientèle. Cette problématique a suscité beaucoup d'intérêt au cours des deux dernières décennies à cause, en grande partie, des impacts négatifs des emballages sur l'environnement. Pour mieux cerner cette problématique, ce mémoire rappelle les principales fonctions de l'emballage, les procédés de fabrication, les matériaux utilisés et les processus de réutilisation, de recyclage et de disposition propre des emballages en fin de vie. Une attention particulière a été accordée à l'analyse du cycle de vie (ACV) des emballages. Une méthode est proposée pour l'élaboration d'une ACV pour les emballages. Cette méthode permet d'identifier et de quantifier les différents impacts et de proposer des outils qui permettent de réduire, voire d'éliminer les impacts négatifs sur l'environnement, et ce, au stade de la conception. Le concept d'emballage durable est aussi abordé. Des indications sont fournies pour la conception d'emballages durables et respectueux de l'environnement. Cette recherche repose sur les plus récents travaux publiés au cours des deux dernières décennies. Elle servira certainement de point de départ pour relever de nouveaux défis dans un créneau en évolution perpétuelle.

La présente thèse intitulée «Développement d'outils intégrés pour la fabrication virtuelle de produits en aluminium et en acier par hydroformage de tubes pour l'industrie aéronautique » porte essentiellement sur l'étude de comportement du matériau métallique en grandes déformations. En utilisant la réponse de comportement, nous avons construit des outils de fabrication virtuelle qui détectent et corrigent « en ligne» les défauts qui peuvent survenir en cours de simulation de différents procédés de mise en forme, notamment, le procédé d'hydroformage de tubes. Pour être en mesure de modéliser efficacement le mouvement nonlinéaire de la matière et contrôler sa cinématique et sa dynamique, nous avons développé une loi hyperélastoplastique (écrite dans un repère corotationnel) en utilisant la théorie de grandes déformations (Simo) et nous l'avons couplé avec différents modèles d'écrouissage nonlinéaire (Voce et Simo) et d'endommagement ductile (Lemaitre et Chaboche). Nous avons calibré la loi de comportement en utilisant la courbe contrainte-déformation vraie (obtenue à partir des essais expérimentaux (uniaxiaux ou biaxiaux)) par l'utilisation de la méthode statistique de moindres carrés. À l'aide d'un utilitaire matériau (VUMAT) disponible dans l'environnement du logiciel Abaqus/Explicit, nous l'avons implémenté dans le but de vérifier l'évolution des différentes variables spécifiques au comportement réel du matériau (le champ de déformation et des contraintes, l'écrouissage, l'endommagement, etc.). En ce qui concerne la construction des outils adaptatifs pour les différents procédés de mise en forme et le contrôle du comportement du matériau, nous avons couplé les utilitaires de l'usager VUMAT (comportement du matériau), VDLOAD ( chargement) et avec un algorithme adaptatif qui utilise les résultats de VUMAT pour évaluer le chargement requis pour éviter des défauts et le transférer à l'utilitaire VDLOAD qui applique le chargement. Le premier sous programme adaptatif a été développé pour le procédé de gonflement de tubes avec les extrémités fixées. Il a été conçu pour évaluer la pression interne nécessaire pour gonfler le tube jusqu'à ce qu'il atteigne la circonférence maximale. Nous avons proposé une relation de calcul de l'incrément de pression fictive dans chaque point matériel. Cette relation contient des informations liées à l'écoulement (la limite d'écoulement) et à l'évolution de la plasticité équivalente. Après avoir trouvé la valeur maximale de la pression fictive dans chaque point matériel (pour un incrément de temps donné), nous avons évalué finalement la valeur maximale à partir de tous les points d'intégrations. Nous utilisons ultérieurement cette valeur maximale pour réaliser la mise à jour de la pression à l'intérieur du tube, afin de mieux contrôler le déroulement de l'opération dans le prochain pas de temps. Dans le but de couvrir une large gamme de produits fabriqués par hydroformage de tubes, nous avons proposé deux sous-programmes de contrôle pour évaluer la pression fictive dans chaque point matériel du tube. Le premier sous programme utilise le contrôle circonférentiel du champ de contraintes tandis que le second est basé sur le contrôle en compression axiale. Afin de vérifier la validité et la précision de nos travaux de recherche, nous avons évalué la qualité de nos résultats numériques en les comparant à des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature scientifique. Dans ce contexte, nous avons utilisé les cas d'hydroformage dans une matrice conique et dans une matrice en « Y ». Parallèlement, nous avons tenté d'explorer la possibilité de déterminer la formabilité de tubes en alliages en aluminium en utilisant les outils de fabrication virtuelle que nous avons développés pour le gonflement de tubes avec extrémités mobiles. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode originale de traçage du diagramme limite de formage en utilisant les données du test de gonflement de tubes (avec extrémités fixées) combinés avec un calcul analytique qui évalue la plastification matérielle causée par le déplacement axial du tube. En dernier lieu, nous avons exploré l'hydroformage en double cavité et l'hydroformage des pièces qui sont d'abord cintrées et ensuite hydroformées. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude sur l'évolution de l'épaisseur par rapport aux changements de la géométrie (les rayons de raccordement à la profondeur des cavités) et par rapport au changement dans les conditions du contact entre le tube et la matrice.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / L'objectif du présent mémoire est de contribuer à la caractérisation de l'écoulement dans l'aspirateur d'une turbine hydraulique de type hélice. Pour y arriver, un anémomètre laser à effet Doppler (LDV) est utilisé dans plusieurs sections de l'aspirateur d'un modèle de cette turbine, maintenu sous plusieurs conditions d'opération, pour créer une base de données de vitesse. La composante radiale en sortie de roue est particulièrement recherchée puisque son acquisition constitue un défi technique au niveau expérimental et que son importance dans l'évolution de l'écoulement est établie. Les résultats principaux font ressortir que la vitesse radiale arbore une grandeur non négligeable en sortie de roue et varie de façon importante suivant les conditions d'opération. L'asymétrie circonférentielle des trois composantes de vitesse est également confirmée dans cette section. L'évolution de l'écoulement dans le coude de l'aspirateur engendre un débalancement du débit sortant à travers les deux pertuis. Finalement, l'écoulement dans l'aspirateur de ce type de turbine est fortement instationnaire, ce qui rend essentielle l'étude des fluctuations qui s'y développent.

Les cellules solaires à base de polymères conjugués sont des dispositifs prometteurs pour récolter l'énergie du Soleil à de faibles coûts de production. Le type de dispositif le plus fréquemment étudié par la communauté scientifique à l'heure actuelle est celui dont la séparation de charge est effectuée en utilisant un mélange de polymère semiconducteur et de [6,6]-phényl-C6i-butanoate de méthylé (PCBM). Dans ce système, le PCBM et le polymère semiconducteur jouent les rôles respectifs d'accepteur et de donneur d'électrons. Dans les travaux présentés ici, des nanocristaux de CdSe, aussi appelés points quantiques colloïdaux (cQDs), sont utilisés comme accepteurs d'électrons au lieu du PCBM. Les possibles avantages des cQDs de CdSe sont une meilleure absorption optique dans le spectre UV-visible et un meilleur transport de charges. Cependant, les cQDs de CdSe sont dispersés moins facilement dans les polymères conjugués que le PCBM, ce qui est un des facteurs limitant les performances des cellules solaires hybrides polymère-cQDs. Notre but est d'augmenter l'efficacité de ce type de cellule solaire en contrôlant la morphologie de leur couche active. Nous utilisons du tétrafluoro-tétracyano-quinodiméthane (F4TCNQ) comme additif pour améliorer la dispersion des cQDs de CdSe dans le polymère conjugué poly(3-hexylthiophène) (P3HT). La meilleure cellule solaire fabriquée possède un rapport massique F4TCNQ:cQDs de (0.50±0.03) % et un rendement de conversion de puissance (2.3±0.4) fois plus élevé que le meilleur dispositif ne contenant pas de F4TCNQ.