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The goal of this work was to quantify the mechanical properties of cellulose nanocrystal (CNC)-based thin films using a polystyrene (PS) structuring approach. This structuring approach was used to biaxially wrinkle CNC-polymer and all-CNC films, in order to assess how changes in the film fabrication process affected the elastic modulus of these films. All films were prepared on pre-stressed PS substrates and structured by heating them above the glass transition temperature of PS, which caused the substrates to shrink and the films to wrinkle biaxially. CNC-polymer films were prepared using the layer-by-layer approach, where three parameters were modified to obtain films of varying compositions: 1) type of polymer (xyloglucan, XG, or polyethyleneimine, PEI), 2) polymer concentration (0.1 wt% or 1 wt%), and 3) film thickness (i.e., number of deposited bilayers). After these films were structured, their elastic moduli were calculated to be 70 ± 2 GPa for CNC-XG0.1, 72 ± 2 GPa for CNC-PEI0.1, and 32.2 ± 0.8 GPa for CNC-PEI1.0 films, indicating that the mechanical properties of CNC-polymer films changed with film composition. This structuring method was also found to provide a humidity-independent measurement of the modulus due to the irreversible nature of the wrinkling. Next, to prepare all-CNC films, CNC suspensions were evaporated under conditions designed to control the film thickness (using 0.005 wt% – 8 wt% CNC suspensions) and CNC nanoparticle orientation (chiral nematic, isotropic, or uniaxial). Suspensions were dried slowly under vacuum, quickly by heating, or by spin-coating to form films with chiral nematic, isotropic, or uniaxial (radial) CNC orientations, respectively. Following structuring, these wrinkled films showed unique morphologies that changed with nanoparticle orientation, suggesting that their mechanical properties are dependent on the CNC orientation within the films. The work presented in this thesis implies that the mechanical properties of films fabricated from hygroscopic bio-based nanomaterials can be assessed in a humidity-independent way by using the structuring method presented. Quantifying the mechanical properties of these films is critical to assess the potential applications of CNCs, where CNC-based materials may be used in developing paper-based electronics, extracellular matrix mimics, and plant cell wall mimics. / Thesis / Master of Science (MSc)

Dentre os principais problemas que ocorrem na estampagem de chapas metálicas estão a fratura, e estricção (necking) e o enrugamento (wrinkling). Este último pode fazer com que a peça fabricada seja rejeitada por problemas que vão desde motivos estéticos até dificuldades de montagem destas peças e desgaste excessivo da ferramenta. Diversos pesquisadores tem estudado o problema de instabilidade à compressão que origina o fenômeno de enrugamento. Pretende-se estudar os principais métodos para predição do enrugamento, a saber, a teoria da bifurcação, a introdução de uma falha induzida e a aplicação do indicador proposto por Nordlund e Häggblad (coeficiente NH). O método escolhido será implementado junto a um programa de análise por elementos finitos de modo a obter diagramas limite de estabilidade, para então ser aplicado a peças mais genéricas. O procedimento é aplicado a peças de geometria relevante para serem ensaiadas experimentalmente de modo a validar as simulações numéricas propostas. / Among the main problems in sheet metal forming processes are the fracture, the necking and the wrinkling behavior of the material. The last one can produce rejected parts due difficulties in the assembly of these parts or excessive wear of the tooling. Many researchers have been studied the problem of the compression instability phenomenon that origins the wrinkling behavior. The objective of this work is the study of the main available methods to the wrinkling prediction, as the bifurcation theory, the induced defect and an indicator proposed by Nordlund and Häggblad (NH coefficient). The more suitable method is implemented into a finite element analysis software in order to obtain the stability limit diagrams that can be used in the design of generic shape parts. Experimental studies will be done in parts subjected to compressive forming loads in order to validate the numerical simulations.

L'objectif de cette thèse est de développer des techniques de modélisation et de simulation multi-échelle avancées et efficaces pour étudier les phénomènes d'instabilité dans trois structures d'ingénierie courantes: membrane, film/substrat et structures sandwich, en combinant la technique des coefficients de Fourier lentement variables (TSVFC) et la méthode numérique asymptotique (ANM). À cette fin, basée sur les équations de la plaque de Von Karman, la TSVFC été utilisée pour développer un modèle de Fourier à bidimensionnel (2D) qui a également été implémenté dans ABAQUS via sa sous-routine UEL. Ensuite, un 2D modèle de Fourier est construit pour le film/substrat. En outre, en utilisant leurs caractéristiques de déformation, un 1D modèle de Fourier est développé en utilisant à la fois le TSVFC et le CUF. Par la suite, sur la base d'une cinématique Zig-Zag d'ordre supérieur, un 2D modèle de Fourier est déduit pour une plaque sandwich. Les équations directrices pour les modèles ci-dessus sont discrétisées par la méthode des éléments finis, et les systèmes non linéaires résultants sont résolus par le solveur non linéaire efficace et robuste ANM. Ces modèles sont ensuite adoptés pour étudier les instabilités dans ces structures. Les résultats montrent que les modèles établis peuvent simuler avec précision et efficacité divers phénomènes d'instabilité. En outre, on constate que l'instabilité membranaire est sensible aux conditions aux limites et qu'il existe un paramètre sans dimension presque constant près du point de bifurcation pour différents cas de charge et paramètres géométriques, ce qui peut être utile pour prédire rapidement l'apparition des rides / The main aim of this thesis is to develop advanced and efficient multi-scale modeling and simulation techniques to study instability phenomena in three common engineering structures, i.e., membrane, film/substrate and sandwich structures, by combining the Technique of Slowly Variable Fourier Coefficients (TSVFC) and the Asymptotic Numerical Method (ANM). Towards this end, based on the Von Karman plate equations, the TSVFC has been firstly used to develop a two-dimensional (2D) Fourier double-scale model for membrane, which has also been implemented into ABAQUS via its subroutine UEL. Then a 2D Fourier model is constructed for film/substrate. Further, making use of deformation features of the film/substrate, a 1D Fourier model is developed by using both the TSVFC and the Carrera’s Unified Formulation (CUF). Subsequently, based on high-order kinematics belonging to Zig-Zag theory, a 2D Fourier model is deduced for sandwich plate. The governing equations for the above models are discretized by the Finite Element Method, and the resulting nonlinear systems are solved by the efficient and robust nonlinear solver ANM. These models are then adopted to study instabilities in these structures. Results show that the established models could accurately and efficiently simulate various instability phenomena. Besides, it’s found that the membrane instability is very sensitive to boundary conditions, and there exists a dimensionless parameter that is almost constant near bifurcation point for various loading cases and geometric parameters, which may be helpful for fast predicting the occurrence of wrinkles

La conception des chambres de combustion industrielles (chambres de combustion aéronautiques, fours industriels, etc.) requiert une prédiction fine des phénomènes physiques dominants. En particulier, l’interaction flamme turbulence aux échelles résolues et non-résolues, l’impact de la composition et du mélange des réactifs, l’impact des pertes thermiques et de la diffusion différentielle doivent être capturés fidèlement. C’est dans ce contexte que le modèle de combustion turbulente F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistryfor Large Eddy Simulation) a été développé afin de coupler une méthode de chimie tabulée (FPI) avec le formalisme de la simulation aux grandes échelles(LES).Dans cette thèse, le modèle F-TACLES, initialement développé pour des écoulements adiabatiques, est étendu à la prise en compte des pertes thermiques. Un formalisme adapté à l’utilisation de bases de chimie tabulée calculées avec la diffusion différentielle est aussi proposé. Ces développements sont validés sur deux configurations : le brûleur TSF et le brûleur SWB.La modélisation de l’interaction flamme-turbulence est ensuite étudiée. Une étude de sensibilité du modèle de plissement de sous-maille de Charlette et al. (2002) à ses paramètres et sous-modèles est réalisée sur le brûleur SWB.En particulier, une méthode d’estimation dynamique des paramètres est aussi évaluée et montre d’excellents résultats. Une généralisation du formalisme de la LES pour les écoulements réactifs est ensuite proposée afin de prendre en compte explicitement les deux filtres mis en jeu dans les simulations : le filtre associé à l’écoulement et le filtre associé à la flamme. Deux stratégies de fermetures sont proposées en se basant sur des modèles existants (F-TACLES et TFLES). Le modèle obtenu, appelé modèle F2-TACLES, est ensuite validé et comparé avec F-TACLES sur la configuration semi-industrielle PRECCINSTA.Pour terminer, la capacité du modèle F-TACLES à capturer l’impact des pertes thermiques et de la composition des gaz frais sur la topologie de flammes est évaluée. Cette étude est réalisée sur une série de flammes CH4-H2-Air turbulentes en giration et prenant des formes différentes en fonction du niveau de pertes thermiques et de la composition des réactifs. / The design of industrial combustion chambers (aeronautical engines, industrial furnaces, etc.) require a fine prediction of the different governing phenomena. Flame-turbulence interaction at resolved and unresolved scales, impact of reactants composition and mixing process, impact of heat losses and differential diffusion have to be correctly captured in such configurations. For that purpose,the turbulent combustion model F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry forLarge Eddy Simulation) has been developed to couple tabulated chemistry with large eddy simulation (LES) formalism.In this thesis, the F-TACLES model, initially developed for unity Lewis number and adiabatic flows, is extended to account for heat losses. A formalism allowing the use of chemical databases (1-D premixed flames) computed with differential diffusion is also proposed. The extended model is validated on two different configurations: the TSF burner and the SWB burner. Modeling of flame-turbulence interaction is then studied. For unresolved flame turbulence interactions, a sensitivity analysis of the Charlette et al. (2002) sub-grid scale wrinkling model to its own parameters and sub-models is performed on the SWB burner. A dynamic estimation of the model parameter is also assessed and showed very promising results. For resolved flame-turbulence interactions, a generalized formalism of the LES of reactive flows is proposed in order to account explicitly for both flame and flow filters. Two closure strategies are proposed based on the F-TACLES and TFLES models. The F2-TACLESmodel is then validated and compared to the original formulation of the FTACLES model. This study is performed on the lean premixed semi-industrial PRECCINSTA burner.The ability of the extended F-TACLES model to capture the impact of both heat losses and fresh gas composition on the flame topology is assessed. This study is conducted on a CH4-H2-Air turbulent and swirling flame series. These flames exhibit very different shapes depending on the level of heat losses and fuel composition.

Dentre os principais problemas que ocorrem na estampagem de chapas metálicas estão a fratura, e estricção (necking) e o enrugamento (wrinkling). Este último pode fazer com que a peça fabricada seja rejeitada por problemas que vão desde motivos estéticos até dificuldades de montagem destas peças e desgaste excessivo da ferramenta. Diversos pesquisadores tem estudado o problema de instabilidade à compressão que origina o fenômeno de enrugamento. Pretende-se estudar os principais métodos para predição do enrugamento, a saber, a teoria da bifurcação, a introdução de uma falha induzida e a aplicação do indicador proposto por Nordlund e Häggblad (coeficiente NH). O método escolhido será implementado junto a um programa de análise por elementos finitos de modo a obter diagramas limite de estabilidade, para então ser aplicado a peças mais genéricas. O procedimento é aplicado a peças de geometria relevante para serem ensaiadas experimentalmente de modo a validar as simulações numéricas propostas. / Among the main problems in sheet metal forming processes are the fracture, the necking and the wrinkling behavior of the material. The last one can produce rejected parts due difficulties in the assembly of these parts or excessive wear of the tooling. Many researchers have been studied the problem of the compression instability phenomenon that origins the wrinkling behavior. The objective of this work is the study of the main available methods to the wrinkling prediction, as the bifurcation theory, the induced defect and an indicator proposed by Nordlund and Häggblad (NH coefficient). The more suitable method is implemented into a finite element analysis software in order to obtain the stability limit diagrams that can be used in the design of generic shape parts. Experimental studies will be done in parts subjected to compressive forming loads in order to validate the numerical simulations.

Předkládaná práce se zabývá problematikou navrhování membránových konstrukcí, a to především s ohledem na vývoj potřebných výpočetních nástrojů v rámci MKP programů. Po uvedení základních fyzikálních požadavků jednotlivých kroků při navrhování těchto konstrukcí budou dále prezentovány vybrané či navržené algoritmy. Kapitola form finding se zabývá analýzou tvaru membránových konstrukcí. Rovnovážný tvar je odvozen od požadavku na výsledné předpětí, specifikované okrajové podmínky a aplikované zatížení. Obecně se ale tento proces zabývá i samotným hledáním rovnovážné soustavy sil v prostoru. V důsledku této skutečnosti jsou součástí popisované analýzy také vhodné stabilizační metody. V této kapitole budou prezentovány jak zvolené postupy, tak i navržená stabilizační technika specializovaná na hledání tvarů kuželových membrán. Dále je také popsán navržený algoritmus pro řešení úloh optimalizujících tvary ohybově tuhých konstrukcí, které jsou spjaty s hledáním labilních rovnovážných konfigurací. Kapitola structural analysis je zaměřená především na fenomén vrásnění membrán. Tato náhlá ztráta stability silně ovlivňuje statickou i dynamickou odezvu membránových konstrukcí. V rámci této kapitoly je představena a verifikována navržená výpočetní metoda, modulárně aplikovatelná na lineární, nelineárně elastické i plastické materiály používané pro uvedené konstrukce. Kapitola cutting pattern generation se zabývá výpočtem střihových vzorů, nezbytných pro výrobní proces membránových konstrukcí. Pro tento proces je v rámci předkládané práce navržena kombinace dvou různých metod. Zvolená posloupnost algoritmů cílí na optimalizaci poměru rychlosti, obecnosti a přesnosti výpočtu. Zmíněné kapitoly jsou doplněny jednotlivými příklady, analyzovanými pomocí popisovaných algoritmů, které demonstrují konkrétní fyzikální problémy či nezbytné implementační procesy.

Das Formdrücken findet seine industrielle Anwendung in der Herstellung rotationssymmetrischer Hohlbauteile für kleine und mittlere Losgrößen. Diese Bauteile werden häufig in einem weiteren Verfahrensschritt als Vorform für die Herstellung profilierter Hohlkörper genutzt. Verfahrensbedingt tritt bereits bei der Vorformherstellung eine ungewollte Blechdickenabnahme auf. Um diese Blechdickenabnahme zu minimieren, wurde anhand numerischer Methoden das Verfahren des Rotationsschwenkbiegens an der Professur Virtuelle Fertigungstechnik der TU Chemnitz entwickelt. Das Prinzip dieses inkrementellen Umformprozesses basiert auf einer Verfahrenskombination des konventionellen Drückens und des Schwenkbiegens, mit dem Ziel der faltenfreien Herstellung von Hohlbauteilen bei gleichzeitiger minimaler Blechausdünnung. Die als Halbzeug verwendete Ronde wird zu Beginn des Prozesses auf eine formgebende Matrize gespannt und in Rotation versetzt. Durch die Schwenkbewegung eines zylindrischen Umformwerkzeuges wird das ebene Blech an die Kontur der Matrize angelegt, wobei keine Relativbewegung zwischen Blech und Werkzeug stattfindet. Demzufolge entstehen minimale Zugspannungen in der Blechebene und die Blechausdünnung wird deutlich verringert. Durch die Durchmesserreduzierung bilden sich jedoch ebenso tangentiale Druckspannungen aus, welche zu einer ungewollten Faltenbildung führen können. Im Rahmen des Vortrages werden anhand von FEM-Simulationen Möglichkeiten vorgestellt, um diese Druckspannungen zu reduzieren oder gezielt zur Vorformherstellung für profilierte Hohlbauteile zu nutzen.