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La planification tactique des opérations forêt-usines est centrée sur trois éléments principaux : la récolte, le transport et la transformation du bois. La planification de cette chaine d’approvisionnement est très complexe. Il existe déjà des outils pour faciliter la décision de décideur tels que FPInterface et Optitek, tous deux développés par FPInnovations. Cette mémoire vise à développer un module d’optimisation qui est connecté aux utiles de simulation. LogiOpt est constituée d'un modèle mathématique. Le modèle développé vise l’optimisation de la chaîne d’approvisionnement entre la forêt et l’usine en concentrant les efforts sur les activités que l’entreprise planifie conjointement avec son entrepreneur d’opérations forestières principal. Grâce à ces solutions de logiciels de simulation et de notre modèle mathématique, nous combinons à la fois dans notre cadre récolte, le transport, l'allocation des bois et des opérations de production. Pour tester notre model mathématique, nous avons utilisé les données d’une année d’exploitation à une entreprise québécoise œuvrant dans le milieu forestier. Nous avons comparé nos résultats avec un plan tactique manuel « simulé ». De ce fait, nous avons constaté que LogiOpt effectue une meilleure allocation de la matière première en allant récolter dans moins de blocs de récolte tout en utilisant des bois ayant un meilleur rendement en usine. Conséquemment, on produit plus de produits finis en usine tout en utilisant la même quantité de bois qu’un plan tactique plus traditionnel. / Forest and sawmills tactical planning is based on three main elements: wood harvesting, wood transportation and wood transformation. Planning the whole supply chain, is quite complex. Tools have been built to help manager in his decision process, for example FPInterface and Optitek, which were developed by FPInnovations. The aim of this thesis is to develop an optimization module, LogiOpt, which will be integrated to simulation tools. LogiOpt is made of a mathematical model. The developed model aims at optimizing the supply chain between the forest and the mills. Using simulation software solutions and our mathematical model, we combine at the same time in our framework harvesting, transportation, wood allocation and production operations. To test our mathematical model, we used data obtained from one business year of a Quebec based wood manufacturer. We compared our results with a manual simulated tactical plan. In this regard, we observed that LogiOpt performs better in wood allocation between sawmills, harvesting in less harvesting while using wood with better output. We then end up producing more finished products at sawmills using the same wood quantity as a traditional tactical plan.

Cette maîtrise s’inscrit dans un projet multidisciplinaire de développement d’une hydrolienne à ailes oscillantes de seconde génération (HAO-2) au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Cette hydrolienne complètement submergée est composée de quatre ailes assemblées sur une base par gravité. Ce mémoire comporte deux volets. Le premier porte sur la conception des circuits de couplage pilonnement-tangage et d’extraction d’énergie de la HAO. Les solutions proposées et une vision de la HAO-2 seront présentées en détail. Un banc d’essai expérimental est conçu pour reproduire le circuit de couplage et simuler le mouvement et les efforts sur une aile. Il permet de démontrer la faisabilité du système élaboré et de déterminer son efficacité. Différents actionneurs de tangage ainsi que différents joints d’étanchéité sont analysés. Seulement les composantes offrant les meilleures performances sont présentées dans ce mémoire. Pour le couplage, un rendement maximal de 80% est mesuré. La modélisation des circuits hydrauliques nécessaire au second volet du projet a été calibrée sur les données expérimentales, notamment le frottement dans les joints d’étanchéité. Le second volet vise à modéliser sur le plan économique un parc HAO à différentes échelles et selon différentes conditions d’opération. Le programme dimensionne l’hydrolienne en fonction des conditions d’opération, puis en estime son coût de fabrication et l’énergie produite annuellement. Il calcule aussi le coût d’installation des turbines, le coût du réseau électrique et de son installation et finalement les dépenses en opération et maintenance (O&M). Le modèle tient également compte de la valeur de l’argent dans le temps en utilisant la valeur présente équivalente. Deux critères de performance sont utilisés pour les comparaisons, le coût de production (CP) et le coût de l’énergie (CE). Par ces critères, plusieurs analyses de sensibilité sont réalisées sur les paramètres importants du modèle. Sans aucun doute, le coût de fabrication et les frais d’O&M dominent largement le coût de l’énergie d’une HAO. Un site d’exploitation en particulier est étudié, près de l’Isle-aux-Coudres, sur lequel un CE de 20 ¢/kWh est obtenu pour un parc de 80 HAO de 1.25MW chacune. / This master’s thesis is part of a multidisciplinary project to develop a second generation of tidal oscillating wings turbine (HAO-2) at Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) from Laval University. This tidal turbine completely submerged is composed of four wings assembled on gravity-based structure. This work has two parts. The first one focuses on the hydraulic circuit design of the pitch-heave coupling and the energy extraction system. Proposed solutions and a vision of the HAO-2 will be presented in detail. An experimental apparatus is designed to reproduce the coupling circuit and simulate the motion and forces on a wing. It allows to demonstrate the developed system feasibility and determine its efficiency. Various actuators and seals are analyzed. Only components with the best performances are presented in this paper. For the coupling system, a maximum efficiency of 80% is measured. Hydraulic modeling necessary for the second phase of the project has also been calibrated on experimental data, especially, friction in seals. The second part treats the economic modeling of a tidal turbine farm at different scales and in different operating conditions. The program designs the turbine depending on the operating conditions, and then, it estimates the construction cost and it calculates the annual energy extracted. It also calculates the installation cost, the electricity infrastructure and their installation cost and finally the operation and maintenance cost (O&M) throughout the farm life time. The model also takes into account the value of money over time by using the net present value. For the cases comparison, the production cost (CP) and the energy cost (CE) are used. Several sensitivity analyses are carried out on the important parameters of the model. As would be expected, the construction cost and the O&M cost are key factors governing the energy cost of HAO. A particular site is studied, near the Isle-aux-Coudres, which a energy cost about 20 ¢/kWh is obtained for a farm with 80 HAO of 1.25MW each.

Ce mémoire présente la méthodologie utilisée et les résultats d’optimisation de champs d’échangeurs géothermiques verticaux. Le contenu est présenté en deux articles de journaux scientifiques. Le premier article traite d’une étude sur l’impact de la stratigraphie du sol sur l’évaluation de performance d’échangeur géothermique. L’étude dévoile que les résultats des simulations prédisent une consommation d’énergie équivalente du système de thermopompe géothermique, que le sol soit stratifié ou homogène avec une conductivité thermique moyenne. Le premier article confirme donc l’hypothèse selon laquelle un système de pompe à chaleur couplée au sol peut être modélisé en utilisant une conductivité thermique moyenne. Le deuxième article présente une méthode d’optimisation de la conception d’échangeurs géothermiques afin de minimiser le coût du système global. Les résultats montrent entre autres que le nombre de puits dans une grille d’échangeurs, de même que leur profondeur, sont des paramètres d’importance dans la variation du coût. / This master thesis presents the method used and the optimization results for a ground coupled heat exchangers borefield. The content is divided into two papers submitted for publication to scientific journals. The first paper reports a study on soil stratigraphy impact on performance evaluation for a geothermal heat pump. The study reveals that the results obtained from simulation predict the same energy consumption of heat pump system for stratified soil and for homogenous soil defined by an average thermal conductivity. It confirms the assumption that a ground coupled heat exchanger system can be modeled using an average value of thermal conductivity. The second paper presents an optimization method of geothermal borefield design to minimize the cost of the system. Results show that number of boreholes in the grid, and their depth, are two influential parameters having strong effect on total cost.

Il est présenté dans ce mémoire une approche globale d’étude et de modélisation des interactions entre particules dans les fluides magnétorhéologiques. D’abord, une campagne expérimentale étudiant l’augmentation de la capacité de transmission d’une contrainte de cisaillement du fluide par une compression est présentée. Les essais ont démontré que l’augmentation pouvait atteindre plusieurs dizaines de fois la capacité initiale sans compression. Une base macroscopique d’observation des interactions entre particules est obtenue. Ensuite, l’élaboration d’une simulation par éléments discrets appliquée aux fluides magnétorhéologiques est présentée. Elle permet, entre autres, l’observation qualitative de l’arrangement des particules et de leur état de force. Finalement, les bases d’un modèle mathématique fondé sur l’hypothèse d’un milieu continu micro-polaire appliqué aux fluides magnétorhéologiques sont proposées. Une méthode d’homogénéisation est proposée afin de mettre à profit l’information tirée de la campagne expérimentale et de la simulation de particules pour obtenir les lois de comportements rhéologiques. / Because of their great potential in mechanical design, magnetorheological fluids have been the subject of a lot of research during the last decade. Although they are already used in some semi-active dampers, their use in other promising technologies such as magnetorheological clutches remains not usual. The main reason for this lack of representation in clutch technologies is the relatively low shear stress transmission capability of these fluids. As a solution, some researchers proposed the application of a compressive stress on the fluid layer while maintaining a magnetic field. As a result, the shear stress transmission capability increases significantly. This effect has been called the Squeeze-Strengthen effect. This effect focuses on the significant interactions between the ferromagnetic particles present in the fluid. This master thesis proposes a global approach to study and model the interactions between particles in magnetorheological fluids. First, experiments are performed to study the Squeeze-Strengthen effect in the context of clutch technologies. The tests have shown that shear stress transmission capacity can be easily increased more than ten times the initial capacity without compression. Then, a numerical model based on the discrete elements method applied to the magnetorheological fluids is proposed. This simulation allows the determination of the state of forces on each particle considered in the model. Some qualitative observations of the particle structure can be made from this simulation. Finally, the bases of a mathematical model of continuum mechanics applied to the magnetorheological fluids are posed. In order to take the particle interactions into account, the assumption of a micro polar medium is made. An homogenization technique is proposed as a way to use the information obtained from the numerical simulations and the experimental investigations in order to obtain the rheologic behaviour laws.

Cette thèse propose des outils d’aide à la décision pour la gestion de processus de maintenance basés sur les décisions stratégiques de faire, faire-faire et faire ensemble. L’approche développée fournit un cadre de référence des processus de maintenance et propose une méthodologie basée sur l’analyse des processus et des processeurs (les ressources humaines, matérielles et les pièces de rechange). Elle permet de générer et d’évaluer des scénarii d’association processus-processeur. Les scénarii générés sont analysés à travers trois filtres technique, stratégique et économique. La méthodologie adoptée considère à la fois les processeurs internes disponibles et les partenaires externes dont la relation peut être de type sous-traitance, impartition ou alliance (réseau). Cette façon de faire donne lieu au concept de la maintenance distribuée. La thèse introduit une nouvelle vision de la maintenance qui permet de contribuer à la compétitivité des entreprises indépendamment de leur taille.

L'utilisation d'articulations compliantes permet de réduire le jeu mécanique dans les manipulateurs robotiques. Cependant les particularités de leur comportement qui diffère de celui des articulations conventionnelles ne peuvent pas être prises en compte dans les modèles actuels, ce qui a pour effet de diminuer le gain de précision espéré. Dans cette thèse, une modélisation qui respecte à  la fois des contraintes géométriques et des contraintes statiques entre les variables articulaires est proposée. Elle permet de décrire avec précision le comportement de ces mécanismes compliants, notamment en pouvant considérer plusieurs degrés de liberté par articulation compliante. Les coordonnées généralisées, qui correspondent à  un ensemble minimal de variables articulaires nécessaires pour décrire complètement la configuration du mécanisme, sont utilisées pour calculer la pose de l'effecteur à  partir du modèle géométrique. Ces coordonnées ne sont pas directement fixées par l'utilisateur, mais elles s'ajustent de manière à  ce que l'équilibre statique du mécanisme soit respecté. Elles sont donc fonction d'un certain nombre de paramètres extérieurs que le modèle géométrico-statique proposé peut prendre en compte: la position des actionneurs, les efforts extérieurs appliqués sur le mécanisme et le poids de ses membrures. Du fait de la complexité de certaines équations de ce modèle géométrico-statique, un modèle quasi-statique a également été développé. Ce dernier donne les relations linéaires qui existent entre les variations des paramètres extérieurs et celles de la configuration du mécanisme. Pour obtenir ces relations, la matrice de raideur des mécanismes parallèles compliants a été calculée de façon générale. La formulation de ce modèle quasi-statique est très simple et repose sur deux nouvelles matrices : la matrice de compliance cartésienne et la matrice jacobienne quasi-statique. Cette dernière matrice intègre les effets des déformations du mécanisme sur son comportement cinématique grà¢ce à  une matrice des ratios de transmission du mouvement des actionneurs. Enfin, trois exemples d'applications ont été traités afin de montrer les apports de ces modèles, non seulement leur gain de précision, mais aussi les nouvelles possibilités qu'ils offrent. Désormais les mécanismes parallèles compliants, mais également mécanismes bistables, les mécanismes compliants sous-actionnés et même les mécanismes conventionnels peuvent être modélisés avec les mêmes équations. / The use of compliant joints reduces the mechanical clearance in robotic manipulators. However, the particularities of their behaviour, which differs from that of conventional joints, cannot be taken into account in existing models, which mitigates the expected gain in accuracy. In this thesis, a model satisfying both the kinematic constraints and the static constraints between the joint variables is proposed. It enables to precisely describe the behaviour of a compliant mechanism, notably by allowing the consideration of several degrees of freedom for a single compliant joint. The generalized coordinates, which correspond to a minimal set of joint variables required to completely describe the configuration of the mechanism, are used to calculate the pose of the end-effector in the geometric model. These coordinates are not directly set by the user but adjust themselves such that the static equilibrium of the mechanism is satisfied. Therefore, they are function of some external parameters taken into account in the proposed kinemato-static model: the position of the actuators, the external efforts applied on the mechanism and the weight of its rigid links. Because of the complexity of some equations of this kinemato-static model, a quasi-static model was also developed. The latter gives linear relationships between the variations of the external parameters and the variations of the configuration of the mechanism. To obtain these relationships, the stiffness matrix of compliant parallel mechanisms was derived in a general form. The formulation of this quasi-static model is very simple and uses two new matrices: the Cartesian compliance matrix and the quasi-static Jacobian matrix. The latter matrix integrates the effects of the deformations of the mechanisms in its kinematic behaviour using a matrix of the transmission ratios of the motion of the actuators. Finally, three examples of applications are given in order to illustrate the contributions of these models, not only regarding the gain in precision, but also the novel possibilities they offer. From then on, compliant parallel mechanisms, but also bistable mechanisms, under-actuated compliant mechanisms and even conventional mechanisms can be modeled with the same equations. /

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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.