This thesis presents a minimum energy optimal sampling-based motion planning algorithm, MEAQR RRT*, specifically for systems with non-linear dynamics, non-holonomic and actuation constraints. The motion planner developed is intended for unmanned aerial systems (UAS) whether they be fixed or rotary wing. The eventual implementation in this thesis revolves around a quadrotor platform. This work extends the algorithms presented previously by Webb et al. and Glassman et al. by formulating a fixed-final-state-free-final-time open loop state space pseudometric for nearest neighbours search and the appropriate closed loop steering method for the tree extension heuristic. By doing so, it allows the introduction of constraints on actuation magnitude and bandwidth. The controller is formulated by solving a minimization problem for the amount of input energy used to connect two states along a trajectory segment. This thesis argues that this properly tuned pseudometric integrated into a state space exploring algorithm results in a trajectory with minimal energy expenditure, which is extremely beneficial for present-day battery limited capabilities of unmanned aerial systems. The algorithm is demonstrated on two example systems (1) a simple 2D pendulum with actuation constraints and (2) a quadrotor described by a 13-dimensional state-space model. In addition, an environment modelling procedure is designed, implemented and tested for a-priori map building required in order to test the algorithm on a real life environment. / Cette thèse présente un algorithme de planification de mouvement qui minimise l'utilisation d'énergie utilisant une approche d'échantillonnage. Cette algorithme est nommé MEAQR RRT*, il a été conçue pour les systèmes non-linéaire dynamiques, non-holonomique et avec contraintes d'actionnements. Ce planificateur de mouvement a été développé pour les systèmes aériens sans pilotes (UAS) soit avec ailes fixes ou rotationnelles. Ce mémoire pourrait éventuellement planifier des chemins pour une plateforme quadrotor. Ce travail est un extension des algorithmes présenté Webb et al. et Glassman et al. en formulant un état fixe final et libre dans un espace d'états ouverts afin de trouver le voisin le plus prés et la méthode appropriée pour fermé les boucles de conduite. Ceci permet d'introduire des contraintes d'actionnements sur la grandeur et l'intensité. Ce contrôleur résout le problème de minimiser l'énergie utilisé afin de connecter deux états selon une trajectoire. Il est discuté que ce pseudo-métrique intégré a l'exploration d'états résulte en une trajectoire qui minimise l'utilisation d'énergie. Ceci permet de réduire la consommation d'énergie sur les batteries aux capacités limités d'UAS. Il est démontré la puissance de notre système par l'entremise de deux exemples, un simple pendule avec des contraintes d'activation en deux dimensions et en modélisant un quadrotor avec un espace d'état a 13 dimensions. De plus, une procédure de conceptualisation a été conçu, implémenté et testé afin d'évaluer les besoins d'un plan afin de tester le modèle présenté dans un environnement réel.

Appropriate modelling of the interaction between wheel and terrain is a key element in simulating wheeled mobile robots and analyzing their functionality on soft terrain. In this thesis, two modelling approaches, with their implementation in a multi-body dynamics environment and their experimental validation, are introduced. The first approach is based on well-established semi-empirical terramechanics models. The multi-pass effect is considered in the implementation by storing terrain deformation and changes in hardening of soil under the wheel. A high-resolution height-field (HF) is used to model the terrain surface, with relevant information stored in the HF vertices. A novel framework is developed for implementation of this model in a multi-body dynamics environment. For every wheel in contact with soft soil, unilateral contact constraints are added to the solver in the normal direction. Terramechanics forces in the tangent plane and the resistant moment are formulated as set-valued functions associated with kinematic constraints on their complementary variables. The new formulation leads to the dynamics representation in the form of a linear complementarity problem. The properties of these constraints are set based on the soil reactions determined from the semi-empirical terramechanics model, at every time-step of the simulation. With this approach, fast and stable simulation is achieved. In the second approach, normal and shear stress distributions in the contact area are determined using continuum mechanics with a computationally efficient technique compared to finite element modelling. The author proposes a velocity field in the vicinity of the contact area motivated by the physical nature of the problem. Using this field, the incremental changes to the stress field are determined by resorting to classical elasto-plasticity theory and an appropriate constitutive relation for soil. As opposed to finite element approaches, which model the soil in contact with the wheel as a high-resolution mesh, our approach focuses on the wheel-soil contact patch only. This localized representation provides the basis for fast wheel-soil interaction modelling. By combining this approach with a height-field as terrain representation, elasto-plastic soil deformation and changes in the hardening state of soil are directly captured. In addition, because of the elasto-plastic representation for soil, energy dissipation during soil compaction is directly captured. The dynamic slip-sinkage behaviour of the wheel and the semi-elliptical shape of the normal stress distribution under the wheel are natural outcomes of the proposed model. The results obtained from the proposed approach are compared with experimental data available in the literature, which show good agreement between the model and experiments under various ranges of wheel slippage and loading conditions.Moreover, an extensive set of experiments was conducted using a version of the Juno rover (Juno II), owned by the Canadian Space Agency (CSA). The analysis of the results shows good agreement between the experimental rover behaviour and the simulation runs using both models developed. / Afin de simuler et d'analyser les mouvements de robots mobiles (rovers) sur terrain déformable, il est essentiel de correctement modéliser les interactions entre les roues du véhicule et le terrain. Dans cette thèse, deux approches de modélisation seront présentées et analysées, avec leurs mises en œuvre dans un environnement de simulation en temps réel. La première approche est basée sur un modèle semi-empiriques de mécanique des sols. L'effet du passage répété d'un véhicule sur le terrain est pris en compte par le stockage de la déformation du terrain et du durcissement du sol sous les roues. Un champ de hauteur (Height Field) à haute résolution est utilisé pour modéliser la surface du terrain; les informations nécessaires sont stockées dans les sommets du champ de hauteur. Une approche originale est développée pour la mise en œuvre dans l'engin de simulation. Pour chaque roue en contact avec le sol mou, une contrainte de contact unilatéral est ajouté au solveur pour la direction normal au mouvement. Les forces dans le plan tangent, issus de la mécanique des sols, et la résistance au moment sont traités comme des fonctions multivaluées associées à des contraintes cinématique pour les variables complémentaires. Cette nouvelle formulation conduit à une représentation dynamique sous forme d'un problème de complémentarité linéaire. Les propriétés des contraintes sont définies en fonction des réactions du sol, calculées par le modèle semi-empirique à chaque pas de simulation. Avec cette approche, une simulation rapide et stable est obtenue. Dans la seconde approche, la répartition des contraintes normales et de cisaillement dans la zone de contact est déterminée en utilisant la mécanique des milieux continus avec une technique de calcul efficace par rapport à la modélisation par éléments finis. Nous proposons l'utilisation d'un champ de vitesses au voisinage de la zone de contact, dans une approche motivée par la nature physique du problème. Avec ce champ de vitesse, les changements progressifs du champ de contraintes sont calculées en recourant à la théorie d'élasto-plasticité classique et à une relation de comportement appropriée pour les sols. Contrairement aux approches par éléments finis, qui modélisent le sol en contact avec la roue comme un maillage haute résolution, notre approche est axée uniquement sur l'aire de contact roue-sol. En combinant cette approche avec un champ de hauteur comme représentation du terrain, la déformation élasto-plastique du sol et les changements dans le durcissement du sol sont directement pris en compte. En outre, en raison de la représentation élasto-plastique du sol, la dissipation d'énergie au cours du compactage du sol est aussi directement prise en compte. Le comportement dynamique de compaction et de glissement de la roue et la forme semi-elliptique de la répartition des contraintes normales sous la roue sont les résultats naturels du modèle proposé. Les résultats obtenus par cet approche sont comparés à des données disponibles dans des études expérimentales, et montre un bon accord avec la théorie pour un large domaine de valeur de glissement et de charge. En outre, un vaste ensemble d'expériences ont été menées en utilisant une version du rover Juno (Juno II) de l'Agence spatiale canadienne (ASC). L'analyse des résultats montre un bon accord entre le comportement expérimental des rovers et des simulations utilisant les deux modèles développés.

The objective of this project is the analysis and control of the aeroelastic oscillations of a wing structure with bonded piezoelectric strips subject to unsteady subsonic aerodynamic loads. Active control of aeroelastic oscillations and the use of piezoelectric materials in vibration analysis and control of structures have been the subjects of many researches in air vehicle design. However, most of the research in these areas has been restricted to simple models such as two-dimensional or quasi-steady aerodynamic models. Hence, in order to obtain accurate and valid results, considering the effects of unsteadiness and three-dimensionality in the modeling is necessary.This complex problem requires time-dependent simultaneous solution of the dynamics equations of the elastic structure with the piezoelectric strips, coupled with the equations of the unsteady flow past oscillating wings. In the present thesis, the unsteady subsonic aerodynamic loading of a trapezoidal wing structure is calculated using numerical panel methods for two- and three-dimensional flows. The developed models are validated with the existing literature and the results show good agreement. Piezoelectric strips are employed as sensors and actuators bonded to the surface of the wing. The finite element formulation of the combined structural model for the wing and the piezoelectric strips is presented. The structural model is coupled with the aerodynamic model using an interactive computer model to transfer the data at each time step and solve the equations simultaneously. The transient analysis is used to simulate the aeroelastic oscillations and an active PID feedback controller is proposed and applied to suppress the oscillations. The numerical results for the various cases of the control of oscillations caused by the vertical gust loads are presented. The results show that the PID control is effective in reducing the amplitude of the oscillations in relatively short time and with relatively small gains, hence low cost. A systematic approach is presented to calculate the gains of the feedback controller using the system matrices. An analysis is performed as well to investigate the effects of the actuator placement on the performance of the controller in suppression of the oscillation for various scenarios. It was demonstrated that the actuators placed close to the wing root are more effective in reducing the amplitude of the oscillations in less time. / L'objectif de ce projet est l'analyse et le contrôle des oscillations aéroélastiques d'une structure de l'aile avec des bandes collées piézoélectriques soumises à des charges aérodynamiques subsoniques instables. Le contrôle actif des oscillations aéroélastiques et l'utilisation de matériaux piézoélectriques dans l'analyse des vibrations et le contrôle des structures a fait l'objet de nombreuses recherches dans la conception des véhicules aériens. Cependant, la plupart des recherches dans ces domaines ont été limitées à des modèles simples tels que les modèles aérodynamiques à deux dimensions ou quasi-stables. Par conséquent, afin d'obtenir des résultats précis et valables, il est nécessaire de considérer les effets de l'instabilité et de la tridimensionnalité dans la modélisation. Ce problème complexe nécessite de résoudre de manière simultanée en fonction du temps l'équation de la dynamique de la structure élastique avec des bandes piézoélectriques couplée avec les équations du flux instable autour des ailes oscillantes. Dans cette thèse, la charge aérodynamique subsonique instable d'une structure d'aile trapézoïdale est calculée en utilisant des méthodes de panneaux numériques pour des flux à deux et trois dimensions. Les modèles développés sont validés avec la littérature existante et les résultats démontrent un bon accord. Des bandes piézoélectriques sont utilisées comme capteurs et des actionneurs liés à la surface de l'aile. La formulation des éléments finis du modèle structurel de l'aile combiné avec les bandes piézoélectriques est présentée. Le modèle structurel est couplé avec le modèle aérodynamique à l'aide d'un modèle informatique interactif pour transférer les données à chaque pas de temps, et résoudre les équations simultanément. L'analyse transitoire est utilisée pour simuler les vibrations aéroélastiques et un contrôleur de retour PID actif est proposé et appliqué pour supprimer les oscillations. Les résultats numériques pour les différents cas de contrôle des oscillations provoquées par les charges des rafales de vents verticales sont présentés. Les résultats démontrent que le contrôle PID est efficace pour réduire l'amplitude des oscillations en relativement peu de temps et avec relativement peu de gains, donc à faible coût. Une approche systématique est présentée pour calculer les gains du contrôleur de rétroaction en utilisant les matrices du système. L'analyse est aussi effectuée pour étudier les effets de la mise en place de l'actionneur sur la performance du dispositif de commande dans la suppression de l'oscillation de divers scénarios. Il a été démontré que les actionneurs placés à proximité de l'emplanture de l'aile sont plus efficaces dans la réduction de l'amplitude des oscillations en moins de temps.

"There is growing international interest in space exploration. Going back to the moon where we will build a sustainable long-term human presence with new spacecraft, robotics and life-sustaining technologies, will prepare humans for future exploration of other planets in our solar system and asteroids and for space mining" [1]. The moon will serve as a base to develop and test new technologies, experience living on an extraterrestrial surface and will provide clues about the origin of the universe. Returning to the moon however, is not easy. The harsh lunar environment, solar radiation, the large amplitude of the temperature fluctuation and the negligible atmosphere and therefore low atmospheric pressure will challenge future manned and unmanned missions. One of the most pervasive limits to lunar surface exploration is the presence of lunar dust, which is electrostatically charged and adheres to everything with which it comes into contact. Lunar dust is very fine and also highly abrasive [2]. In this work, two abrasive wear test devices were designed and manufactured to study the volume wear rate of different materials when subjected to lunar dust simulant of different size ranges. There were three additional objectives to this research. First, the potential of using electrostatic and dielectrophoretic forces to remove and transport small particles away from surfaces was investigated by manufacturing several devices comprising series of parallel electrodes connected to single or multiple AC power source(s). The traveling electric field created then served as an invisible brush to clean surfaces and prevent dust from entering joints in space applications (e.g. bearing, solar panels, camera, etc.). Second, discrete element models were created and calibrated based on the experimental results to study the capacity of this technique to clean dust from surfaces in the lunar environment. Third, evaluated the idea of sorting and transporting regolith (i.e., the loose, heterogeneous material covering solid rock) into the journal bearing (i.e., a plain bearing designed to reduce friction by supporting radial loads) and employing it as a solid lubricant. Experimental outcomes demonstrate satisfactory performance of the electric curtain in terms of dust removal from surfaces, with low power consumption. They also indicate the need for standardization of wear and abrasion tests for space applications at low temperature and pressure. One recommendation resulting from this research is investment by the Canadian Space Agency on infrastructure and equipment such as "dirty chambers" to enable performance of similar experiments in dusty moon-like environments. This research was conducted with support from an NSERC Collaborative Research and Development Grant involving Neptec Design Group, the Canadian Space Agency, and McGill University. / "L'exploration spatiale est en pleine expansion dans la communauté internationale. En retournant à la lune où nous construirons une présence humaine à long terme qui soit durable avec des nouveaux vaisseaux spatiaux, des robots et des technologies pour maintenir la vie durable. C'est aussi à nous préparer pour future exploration des autres planètes de notre système solaire, des astéroïdes, et l'exploitation minière spatial" [1]. La lune servira comme une base pour développer et tester des nouvelles technologies, faire l'expérience de vivre dans un environnement extraterrestre, et fournir des indices sur l'origine de l'univers. Cependant retourner sur la Lune n'est pas une tache facile. Les conditions extrêmement difficile de l'environnement lunaire, les dangereuses rayonnements solaire, les variations de températures et l'espace vide mettra nos futures missions, avec ou sans astronautes, en danger. L'un des plus grands défis que nous rencontrerons au cours de l'exploration de la surface de la lune est la poussière lunaire qui est éléctrostatiquement chargé et adhérera tout ce qui entre en contact avec. La poussière est très fine et très abrasif aussi [2]. Dans cette étude, trois appareils ont été conçus et deux d'entre eux ont été construites afin d'examiner la quantité de particules qui retire du matériel pendant l'expérience d'abrasion par la poussière lunaire a diamètre variable. Également la possibilité d'utiliser des forces électrostatiques et diélectrophoetique pour enlever et transporter des petites particules des surfaces ont été étudié par plusieurs dispositifs en fabricant des compositions d'électrodes parallèles qui sont connecté à une source d'alimentation unique ou multiple AC. Le champ électrique qui se déplace sert alors comme un pinceau invisible pour nettoyer les surfaces et évite la poussière de pénétrer dans les joints des applications spatiales (par exemple les instruments qui roulent, les panneaux solaires, les appareils photo, etc.). En plus de cela, des modèles DEM ont été créés et calibrés sur la base des résultats expérimentaux pour étudier la capacité de cette technique pour nettoyer la poussière des surfaces dans l'environnement lunaire. En outre, l'idée de regrouper et de transporter le régolithe dans un palier lisse et l'employer comme un lubrifiant solide a été souligné. Les résultats des expériences montrent une performance satisfaisante du rideau électrique en termes de dépoussiérage des surfaces avec une faible consommation électrique. Ils suggèrent également la nécessité d'une standardisation des expériences abrasive pour les applications spatiales à faible température et pression. Une proposition par rapport aux résultats obtenu dans cette recherche est l'investissement de l'Agence Spatiale Canadienne sur les infrastructures et les équipements tels que "Les chambres sale" afin d'être en mesure de réaliser des expériences similaires dans des environnements poussiéreux comme la surface de la lune. Cette recherche est menée dans le cadre d'une subvention du CRSNG CRD entre Neptec Design Group, l'Agence Spatiale Canadienne et l'Université McGill.

This thesis presents the experimental investigation of vortex flow structure over non-slender delta wing with leading edge sweep angle, Λ=45°. A comprehensive investigation has been conducted in a wind tunnel at Reynolds numbers ranging between 247,000 and 445,000. Seven-hole pressure probe measurements for flow characteristics such as normalized axial vorticity, normalized axial velocity, vortex trajectory and pressure variations are presented at various chordwise stations, angles of incidences and Reynolds number. The focus was on critical vortex flow characteristics and their dependency on the angle of attack, stream-wise movement and Reynolds number. The movement of vortex breakdown was also documented for both baseline model and modified apex flap model over the delta wings. In addition the effects of passive deflections of the apex flap over non-slender delta wings were investigated. The changes produced by the apex flap on the flow characteristics and vortex trajectory is also reported. The effects of apex flap over vortex breakdown progression and its control are also documented. Vortex flow evolution in the wake downstream of trailing edge is also discussed. It is demonstrated that weak leading edge vortices are generated in the proximity of wing surface with strong shear layer which move upward and outboard with apex flap deflection. It is recognized that vortex breakdown was delayed by 8% by downward apex flap deflection. / Cette thèse présente l'étude expérimentale de la structure de l'écoulement tourbillonnaire sur aile delta non-mince avec les principaux angle de balayage de pointe, Λ = 45 °. Une enquête approfondie a été menée en soufflerie au nombre de Reynolds allant de 247,000 - 445,000. Les mesures de la sonde pression sept trous pour les caractéristiques d'écoulement comme tourbillon normalisée axiale, vitesse axiale normalisée, la trajectoire de tourbillons et les variations de pression sont présentés à différents postes de sens de la corde, des angles d'incidences et le nombre de Reynolds. L'accent a été maintenu sur les caractéristiques de propagation des tourbillons critiques et leur dépendance à l'angle d'attaque, le mouvement streamwise et nombre de Reynolds. Le mouvement de rupture du vortex a également été documenté à la fois pour le modèle de base et modèle modifié du volet sommet sur les ailes delta. En plus de cela, l'objectif était d'étudier les effets réalisés par des détournements passifs de rabat sommet sur les ailes delta non-minces. Les changements produits par rabat sommet sur les caractéristiques de débit et de la trajectoire de vortex sont également signalés. Les effets de volet sommet sur la progression de la rupture du vortex et son contrôle sont également documentées. L'évolution des flux de vortex dans le sillage en aval du bord de fuite est également parlé dans une certaine mesure. Il est démontré que la faiblesse des grands tourbillons de bord sont générés à proximité de la surface de l'aile avec couche de fort cisaillement qui se déplacent vers le haut et à l'extérieur avec déviation du volet sommet. Il est reconnu que la rupture du vortex a été retardé de 8% en baisse déviation du volet sommet.

A plant is a natural hierarchical structure, which exhibits remarkable mechanical properties. The macro (scale) mechanical properties of a plant are the cumulative outcome of the structural properties of its preceding level of structural hierarchy. To develop engineering structures inspired by a plant and its organs, a comprehensive characterization of its mechanical properties exhibited at multiple hierarchical orders is essential to mimic such structures for engineering application. This thesis presents a set of theoretical and computational models at various orders of the structural hierarchy to capture the overall structural properties of a plant petiole. The modeling method is framed within a multiscale mechanics framework, which is essential for any structure displaying hierarchical orders of organization. The macro structural properties, i.e. flexural and torsional stiffness, of a plant petiole are obtained by correlating cell wall construction, tissue microstructure, and structural shape morphology. The stiffness of the cell wall is modeled using the theory of a fiber reinforced composite material. The microarchitecture of the constituent tissues that govern the properties of the petiole are modeled with a novel algorithm – finite edge centroidal Voronoi tessellation (FECVT) - that is capable to provide a realistic visualization of the tissue. The effective stiffness properties of the constituent tissues are obtained via finite element analysis of the FECVT models coupled with cell wall properties. With the properties of the tissues, the cross-sectional shape of the petiole at the structural level is considered to determine its flexural and torsional stiffness, which are also validated experimentally for rhubarb petiole. This multiscale mechanical model will elucidate the role of each order of structural hierarchy to determine the structural compliance of the petiole. A hierarchical modeling approach that captures the overall structural properties of a petiole has been introduced in this thesis. In particular, the model develops a relationship between the micro and macrostructural properties using a tailored multiscale mechanics approach. Therefore, this research can bridge the gap between plant biology and engineering to develop novel bio-inspired material and structures. This research can also help to develop fundamental knowledge of plant cellular bio-mechanics and its impact on the macroscopic mechanics of stems and petioles with the end goal of transferring this knowledge to the processing and design of compliant engineering structures and materials. / Une plante est une structure hiérarchique naturelle, qui présente des propriétés mécaniques remarquables. Les propriétés mécaniques à grande échelle d'une plante sont le résultat cumulatif des propriétés structurelles du niveau précédent de la hiérarchie structurelle. Pour développer des structures de génie inspirées par une plante et ses organes, une caractérisation détaillée de ses propriétés mécaniques manifestées aux multiples niveaux hiérarchiques est essentielle pour imiter ces structures pour les applications d'ingénierie. Cette thèse présente un ensemble de modèles théoriques et numériques à divers niveaux hiérarchiques structuraux afin de capturer les propriétés structurelles aux niveaux globaux d'un pétiole d'une plante. La méthode de modélisation est cadrée au sein d'un système mécanique à niveaux multiples, qui est essentiel pour toute structure composée de plusieurs ordres hiérarchiques d'organisation. Les propriétés structurelles à grande échelle, c.à.d. la raideur en flexion et en torsion, d'un pétiole d'une plante sont obtenues par la corrélation entre la construction de la paroi cellulaire, la microstructure des tissus, et la morphologie de la forme structurelle. La raideur de la paroi cellulaire est modélisée en utilisant la théorie des matériaux composites à renfort fibreux. La microarchitecture des constituants des tissus qui gouverne les propriétés du pétiole est modélisée avec un nouveau algorithme – La tessellation de Voronoi de centre à bord fini (FECVT) - qui est capable de fournir une visualisation réaliste du tissu. La raideur effective des constituants des tissus est obtenue par la méthode des éléments finis des modèles FECVT accouplée avec les propriétés de la paroi cellulaire. La forme du pétiole en coupe transversale au niveau structural ensemble avec les propriétés des tissus sont considérées afin de déterminer sa raideur en flexion et en torsion, qui sont également validés expérimentalement pour le pétiole de la rhubarbe. Ce modèle mécanique à échelles multiples éclaircira le rôle de chaque niveau de la hiérarchie structurelle pour déterminer la souplesse structurelle du pétiole. Une méthode de modélisation hiérarchique qui capture les propriétés structurelles globales d'un pétiole a été introduite dans cette thèse. Notamment, le modèle établit une relation entre les propriétés du micro et macro niveaux structuraux en utilisant un procédé mécanique adapté, à échelles multiples. Par conséquent, cette recherche peut combler le vide entre la biologie végétale et le génie afin de développer de nouveaux matériaux et des structures bio-inspirées. Cette recherche peut également aider à développer les connaissances fondamentales de la biomécanique cellulaire des plantes et son impact sur la mécanique macroscopique des tiges et des pétioles avec l'objectif final de transférer ces connaissances pour le traitement et la conception des structures et matériaux souples de génie.

In-flight ice accretion poses a serious and ongoing risk to the safety of air travel as it may cause performance degradation and loss of control. It is reported as being the major cause of many incidents and accidents. Most of the supercooled droplets encountered during flight conditions are small in nature and, as such, adhere quickly to the surface where they impinge. When large droplets impinge on a surface, they may stick, fragment and splash, or bounce back into the airstream surrounding the surface. These rebounded droplets may impinge at an unprotected location on an aircraft.A purely Eulerian numerical approach to track secondary droplets resulting from the bouncing and splashing of supercooled large droplets for in-flight icing is herein proposed. Different droplet-wall interaction models have been analyzed on the basis of their ability to provide initial conditions for the re-injected mass. The numerical approach presented decouples pre- and post-impact conditions into unique computational domains which are combined for a final solution that conserves mass in the system. The approach is evaluated for clean and iced geometries in SLD conditions. Tests are performed to compare the accuracy of the proposed method with other numerical methods and icing tunnel experiments. Good agreement with experiment is observed in the accuracy of the impingement limits, as well as the local collection efficiency. Disagreement is observed in the prediction of local collection efficiency for severely contaminated geometries for both the new approach as well as other codes. An analysis of potential influencing factors as well as a discussion regarding the accuracy of the experiment is reported. / Le givrage en vol présente un risque sérieux et permanent pour la sécurité aérienne car il peut causer des dégradations de performance et des pertes de contrôle. Il est reconnu comme étant une des principales causes d'incidents et d'accidents. La plupart des gouttelettes surfondues rencontrées en vol sont de petite taille et, par conséquent, adhérent rapidement à la surface qu'elles empiètent. Toutefois, lorsque des grosses gouttelettes surfondues (SLD) frappent une surface, elles peuvent soit coller, se fragmenter et éclabousser, ou rebondir et être entrainées dans l'écoulement qui peut les déposer à un endroit de l'aéronef non protégé contre le givrage.Nous proposons dans cette thèse une approche numérique Eulérienne pour déterminer l'impact des gouttelettes secondaires résultant du rebondissement et des éclaboussures en mode SLD. Différents modèles d'interaction gouttelette-paroi ont été analysés pour leur aptitude à fournir les conditions initiales pour la masse réinjectée. L'approche numérique présentée découple les conditions pré- et post-impact en domaines séparés qui sont combinés pour une solution finale conservant la masse du système. L'approche est évaluée pour des géométries propres et déjà givrées dans des conditions SLD. Des essais numériques sont effectués pour comparer la précision de la méthode proposée avec d'autres méthodes numériques et des essais en tunnel givrant. Un bon accord avec l'expérience est observé pour les limites d'impact ainsi que les quantités d'eau captées. Un certain écart est toutefois observé dans la prédiction d'eau captée dans les cas de géométries déjà givrées. Cet écart s'appliquant à la fois à notre approche ainsi qu'aux autres méthodes nous pousse à une analyse des facteurs potentiels causant un tel écart ainsi qu'à une discussion de la précision des essais en soufflerie.

<p> The derivation of Euler's equations of motion in using cylindrical vector components is beneficial in more intuitively describing the parameters relating to the balance of rotating machinery. Using the well established equation for Newton's equations in moment form and changing the position and angular velocity vectors to cylindrical vector components results in a set of equations defined in radius-theta space rather than X-Y space. This easily allows for the graphical representation of the intuitive design parameters effect on the resulting balance force that can be used to examine the robustness of a design. The sensitivity of these parameters and their influence on the dynamic balance of the machine can then be quantified and minimized by adjusting the parameters in the design. This gives a theoretical design advantage to machinery that requires high levels of precision such as a Computed Tomography (CT) scanner.</p>

<p> Concerns about global resource management and environmental conservation have drawn attention to the large amounts of energy used by buildings and the resulting impact on the environment. Building Energy Simulation (BES) programs play a crucial role in efforts to reduce energy use by the built environment. However, BES has many areas where sources of uncertainty may enter into the process and propagate to the results. This dissertation research explores the role of the modeler in the uncertainty of BES results, and establishes a testing methodology and classification system for sources of modeler variability. It additionally makes specific recommendations for the mitigation of each class of modeler variability. </p><p> A study was conducted where 12 professional building energy modelers were provided with identical building plans and asked to create a model of the building, in the BES program eQUEST, in accordance with their typical modeling habits. The building chosen for the modeling task was a single story school administrative building with a vaulted lobby, and it was located in California Climate Zone 4, the climate zone local to the sample of modelers. Time to complete the modeling task was limited to 3 hours to impose time pressure on the participants to expose how modelers prioritize different modeling tasks. All participants submitted the input and output files of the simulation for further analysis. Demographic information on the modelers was collected to determine if modeling decisions were linked to modeler background. </p><p> Various forms of analyses were employed to explore the study data and to develop a classification method for modeler variability. A one-at-a-time factor analysis (OAT) applied modeler decisions to a best-practices baseline model to assess the effect of individual participant decisions on simulation results. Monte Carlo sampling was applied to the set of participant decisions to create 200 input files that were hybrids of randomly chosen participant decisions. The results of this Monte Carlo analysis yielded the effect of modeler decisions in combination with all other modeler decisions. Classification trees were applied to the Monte Carlo data to investigate the interaction between modeler decisions. Random forests were applied to the Monte Carlo data to more robustly assess interaction effects. In the OAT, classification tree, and random forest analyses, the decision of how to represent the HVAC systems consistently was the most significant, so classification trees and random forests were applied to the individual HVAC system decisions to determine interaction effects with these parameters. Multiple Correspondence Analysis (MCA) plots were generated to explore any potential correlations between modeler background and modeler decisions. </p><p> A combination of the results of the OAT analysis and the random forest analysis yielded 3 basic classes of variability introduced by modelers. A high OAT impact and low random forest impact indicated that modeler decisions in that category differed from the best practices model consistently but had little impact on energy results when combined with other modeler decisions. Low OAT impact and high random forest impact categories were where modelers varied widely in their decisions; the decisions had very little effect on the baseline model on their own but had a large impact on results when combined with other modeler decisions. The final class of modeler variability was characterized by high OAT impact and high random forest impact. In this category, participant decisions varied greatly from each other and from the baseline model setting, and had a large impact on energy results independently and in combination with other modeler decisions. The MCA plots showed little correlation between modeler decisions and modeler background. (Abstract shortened by UMI.) </p>

<p> The dynamic response of filled corrugated steel sandwich panels was investigated under combined extremes of blast loading and high temperature heating. The objective of this project was to study blast mitigation and the thermo-mechanical response of panels using a polymer based syntactic foam and mortar as a filler material. These materials were selected due to their thermal resistivity. In this study, silicone resin (with an operating temperature range between -53&deg;C to 232&deg;C) and two types of glass bubbles were selected as materials to develop a heat resistive syntactic foam. The mechanical properties of the foam were investigated, in ambient temperatures, before and after high-temperature heat treatment (of 500&deg;C), by quasi-static compression experiments. It was observed that plateau stress increases after introduction of glass bubbles in silicone, enhancing the energy absorption properties for both specimens with and without heat treatment. To produce repeatable blast loading, a shock tube was utilized. Pressure history was recorded using pressure transducers located in the shock tube muzzle. High speed photo-optical methods utilizing Digital Image Correlation (DIC) coupled with optical band-pass filters and high-intensity light source, were utilized to obtain the real-time deformation at high temperature while a third camera captured side-view deformation images. The shock pressure profiles and DIC analysis were used to obtain the impulse imparted to the specimen, transient deflection, in plane strain and out-of-plane velocity of the back face sheet. Shock tube experiments were performed to investigate the blast response of corrugated steel sandwich panels filled with a silicone based syntactic foam filler at room and high temperature. It was observed that using the syntactic foam as a filler material, decreased the front face and back face deflections by 42% and 27%, respectively, compared to an empty panel. The highest impulse was imparted on the specimen at room temperature and subsequently lower impulses with increasing temperature. Due to increasing ductility in steel with high temperature, the specimens demonstrated an increase in back face deflection, in-plane strain and out-of-plane velocity with increasing temperatures with weld failure being the primary form of core damage. High temperature blast experiments were also performed on mortar filled corrugated steel sandwich panels. Mortar is a common building material that can withstand extreme temperatures. It was observed cement based mortars are thermally resilient enough to be used as a filler material for high temperature applications. The highest impulse was imparted on the specimen at room temperature and subsequently lower impulses with increasing temperature. A temperature difference of at least 300&ordm;C was observed across the thickness of the specimen for all heating conditions. Due to increasing ductility in steel with high temperature, the specimens demonstrated an increase in back face deflection, in-plane strain and out-of-plane velocity with increasing temperatures with weld failure being the primary form of core damage.</p>