Compressive residual stresses induced by tensile overloads, compressive under loads, or by a cold-expansion process in specimens containing a circular hole and their influence on subsequent fatigue crack growth in aluminum alloys are studied. The finite element method is used to calculate residual stresses. The superposition method, which uses crack-tip stress intensity factors for cases involving remote loading and residual stresses, is used to calculate crack growth life for three kinds of tests from the literature: (1) fatigue of a circular hole specimen after an overload or under load, (2) single crack growing from a circular hole after a severe tensile overload, and (3) single crack growing from a circular hole after cold-working, reaming and notching. All specimens were subjected to subsequent constant amplitude loading. The superposition method worked fairly well for most cases, but tended to over predict fatigue life for small cracks and for cracks growing under residual stresses, which produce compressive (maximum and minimum) stress intensity factors.

This thesis discusses the analysis of fatigue crack growth in the presence of residual stresses to determine a suitable method for fatigue life predictions. In the research discussed herein, the prediction methodologies are compared to determine the most accurate prediction technique. Finite element analysis results are presented as well as laboratory test data. The validity of each methodology is addressed and future work is proposed.

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La relation scalaire entre contrainte et déformation obtenue par le cisaillement simple dans les rhéomètres classiques n'est pas assez riche pour décrire les écoulements complexes. Pour obtenir plus d'information, nous superposons deux écoulements orthogonaux en utilisant la géométrie plan-plan. Le fluide, sous forme cylindrique, peut alors être cisaillé par la rotation mais aussi écrasé par le rapprochement (ou étiré par l'éloignement) des disques. Nous détaillons les calculs théoriques permettant de déterminer les liens entre contraintes et taux de cisaillement et les efforts et vitesses macroscopiques associés. Ensuite, nous décrivons précisément le dispositif expérimental mis en place pour imposer toutes sortes d'écoulements combinant des cisaillements stationnaires ou oscillants, en rotation ou en écrasement. Puis nous présentons les résultats de la comparaison entre l'écoulement de rotation et l'écoulement d'écrasement. Nous présentons enfin les expériences de superposition des deux écoulements. Nous créons des écoulements complexes et divers afin, entre autres, de mesurer et comprendre la loi d'écoulement 3D et le critère d'écoulement 3D des fluides à seuil / The scalar relation between stress and strain obtained by simple shear within classical rheometers is not rich enough to describe complex flows. To obtain more information, we shall superimpose two orthogonal flows and for that, we shall use the parallel-plate geometry. The volume of fluid has a cylindrical shape and can be sheared by the rotation of a plate or squeezed by the move closer (or stretched by the move away) of the plates. We detail theoretical considerations that allow us to determine the link between stresses and shear rates and associated macroscopic efforts and velocities. Then we precisely describe the experimental setup developed to impose all kind of flows : steady or oscillating flows, rotation or squeeze. After that, we present the results of comparison between rotational and squeeze flow. Finally, we present the experiments with both superimposed flows. We create complex flows to measure and understand, among others, 3D behavior and 3D flow criteria of yield stress fluids

L’objectif de cette thèse est de proposer une stratégie simplifiée et précise pour caractériser et modéliser le comportement mécanique des polymères amorphes de l'état quasi-fluide à l'état solide.L'étude a été réalisée sur des PMMA de masses molaires et de degré de réticulations différentes.D’abord, le comportement mécanique dans le domaine viscoélastique linéaire est étudié à l'aide de tests DMTA et rhéologiques. Il ressort de l’étude que l'augmentation de la masse molaire et du degré de réticulation augmentait les modules de stockage et de perte en tant que la transition α. En parallèle, l'utilisation du principe de superposition temps-température a permis de déterminer «des vitesses de déformation équivalentes à la température de référence».Ensuite, le comportement mécanique à grande déformation est étudié par essais cycliques en traction uni-axial et de cisaillement à haute température et couplés à la DIC. De plus, les effets de la vitesse de déformation et de la température ont été couplés grâce à "vitesse de déformation équivalent à la température de référence" extrait des observations dans le domaine linéaire. Les résultats ont montré que cibler la même vitesse de déformation équivalente conduira aux mêmes courbes contrainte-déformation, c'est-à-dire la même réponse mécanique. Ceci permet de réduire le nombre de tests expérimentaux nécessaires pour caractériser le comportement mécanique des polymères amorphes.Enfin, un modèle basée dans un cadre thermodynamique a été utilisée pour reproduire la réponse mécanique des PMMAs à grande déformation. Le modèle présentait un bon accord avec les données expérimentales, étant capable de reproduire des comportements visco-élasto-plastiques, viscoélastiques, hyperélastiques et visco-hyperelastiques pour la traction cyclique. / The present PhD thesis proposes a simplified and accurate strategy for characterising and modelling the mechanical behaviour of amorphous polymers from the quasi-fluid state up to the solid state.The study was carried out on PMMAs with different molar masses and crosslinking degree.First, we addressed the mechanical behaviour in the linear viscoelastic domain using DMTA and rheological tests. Results showed that increasing the molar mas and crosslinking degree increased the elastic and loss moduli as the α-transition. In parallel, using the time-temperature superposition principle allowed determining “equivalent strain rates at reference temperature”.Then, we performed uniaxial tensile and shear uploading-unloading tests at high temperature and coupled with DIC, to characterise the mechanical behaviour at large strain. Additionally, strain rate and temperature effects were coupled by means of the “equivalent strain rate at reference temperature” extracted from observations in the linear domain. Results showed that targeting the same equivalent strain rate lead to the same stress-strain curves, i.e. same mechanical response. This allows reducing the number of experimental tests needed to characterise the mechanical behaviour of amorphous polymers.Finally, a constitutive modelling based in a thermodynamics framework, was used to reproduce the mechanical response of the PMMAs at large deformation. The model presented a good agreement with the experimental data, being able to reproduce viscoelastoplastic, viscoelastic, hyperelastic and viscohyperelastic behaviours for cyclic loading tensile.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Methode der modalen Superposition als Ordnungsreduktionsverfahren in der Mikrosystemtechnik. Typische Anwendungsgebiete sind Inertialsensoren und dabei im Besonderen Drehratensensoren, für die die Simulation von zeitabhängigen Phänomenen von entscheidender Bedeutung ist. Im Rahmen der Weiterentwicklung der Ordnungsreduktion nach der Methode der modalen Superposition ist es gelungen für typische lineare Kräfte eine auf analytischen Gleichungen basierende Beschreibung im reduzierten Raum zu finden. Für die Beschreibung von nichtlinearen Kräften ist im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren entwickelt worden, das es erlaubt, bestehende Modelle im Finite-Elemente-Raum in der modalen Beschreibung zu nutzen. In dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen zur Berücksichtigung von Einflüssen der Aufbau- und Verbindungstechnik in ordnungsreduzierten Modellen dargestellt. Neben der Einkopplung äußerer Kräfte und der Veränderung der mechanischen Randbedingungen wird auch der Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik auf die elektrostatischen Eigenschaften untersucht. Die Parametrisierung des Verfahrens der modalen Superposition über Fit- und Interpolationsverfahren erlaubt es, parametrisierte ordnungsreduzierte Modelle für die zeitabhängige Systemsimulation zu generieren. Damit wird die Durchführung von Designoptimierung und die Berücksichtigung von Fertigungs- und Prozessschwankungen in ordnungsreduzierten Modellen auf Systemebene möglich.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de la prise en compte des incertitudes des paramètres d’entrée d’un modèle éléments finis de structures spatiales. L’approche probabiliste a été utilisée pour quantifier l’influence de l’aléa sur les fonctions de transfert.Nous avons proposé une adaptation de la méthode de superposition modale au cadre probabiliste, basée sur l’identification de la loi de probabilité des variables des fonctions de transfert. Le verrou technologique que constitue la construction de lois de probabilité de grande dimension a été levé par l’utilisation de la théorie des copules. Finalement, la méthodologie proposée a été validée sur un exemple industriel et les perspectives offertes par l’étude des structures de dépendances entre variables d’une fonction de transfert sont prometteuses. / This PhD thesis aims at take into account input parameters uncertainty of space structures finite element models. To achieve this goal probabilistic approach is used to quantify the influence of randomness on transfer functions. An adaptation of modal superposition method to the probabilistic framework is proposed. This original approach is based on the identification of the probability distribution of transfer function variables. The main difficultyconcerns the construction of a large dimension probability distribution. This pointis tackled by the use of copula theory. Finally, the proposed methodology is validated onan industrial example. Moreover, the analysis of the dependence structures between the transfer function variables offers a lot of perspectives.

Dans cette thèse, on s'est intéressé à l'étude des canaux de diffusion avec des contraintes de transmission pratiques. Tout d'abord, on a étudié l'impact de la contrainte pratique de l'utilisation d'un alphabet fini à l'entrée du canal de diffusion Gaussien avec deux utilisateurs. Deux modèles de canaux de diffusion sont considérés lorsqu'il y a, en plus d'un message commun pour les deux utilisateurs, (i) un message privé pour l'un des deux utilisateurs sans contrainte de sécurité (ii) un message confidentiel pour l'un des deux utilisateurs qui doit être totalement caché de l'autre utilisateur. On a présenté plusieurs stratégies de diffusion distinguées par leur complexité d'implémentation. Plus précisément, on a étudié les régions des débits atteignables en utilisant le partage de temps, la superposition de modulation et le codage par superposition. Pour la superposition de modulation et le cas général du codage par superposition, les régions des débits atteignables maximales sont obtenues en maximisant par rapport aux positions des symboles dans la constellation et la distribution de probabilité jointe. On a étudié le compromis entre la complexité d'implémentation des stratégies de transmission et leurs efficacités en termes de gains en débits atteignables. On a étudié aussi l'impact de la contrainte de sécurité sur la communication en comparant les débits atteignables avec et sans cette contrainte. Enfin, on a étudié les performances du système avec des schémas d'accusés de réception hybrides (HARQ) pour un canal à écoute à évanouissement par blocs lorsque l'émetteur n'a pas une information parfaite sur l'état instantané du canal mais connait seulement les statistiques. On a considéré un schéma adaptatif pour la communication sécurisée en utilisant des canaux de retour à niveaux multiples vers l'émetteur pour changer la longueur des sous mots de code à chaque retransmission afin que le débit utile secret soit maximisé sous des contraintes d'"outages". / In this thesis, we aim to study broadcast channels with practical transmission constraints. First, we study the impact of finite input alphabet constraint on the achievable rates for the Gaussian broadcast channel with two users. We consider two models of broadcast channels, when there is in addition of a common message for two users, (i) a private message for one of them without secrecy constraint (ii) a confidential message for one of them which should be totally hidden from the other user. We present several broadcast strategies distinguished by their complexity of implementation. More precisely, we study achievable rate regions using time sharing, superposition modulation and superposition coding. For superposition modulation and superposition coding strategies, maximal achievable rate regions are obtained by maximizing over both symbol positions in the constellation and the joint probability distribution. We study the tradeoff between the complexity of implementation of the transmission strategies and their efficiency in terms of gains in achievable rates. We study also the impact of the secrecy constraint on communication by comparing the achievable rates with and without this constraint. Finally, we study the system performance using HARQ schemes for the block-fading wiretap channel when the transmitter has no instantaneous channel state information but knows channel statistics. We consider an adaptive-rate scheme for the secure communication by using multilevel feedback channels to change sub-codeword lengths at each retransmission, in order to maximize the secrecy throughput under outage probabilities constraints.

La réalisation d'une mission robotique se décompose usuellement en trois étapes: la planification, i.e. le choix des taches à réaliser, le séquencement, i.e. la détermination du timing et de l'ordre de réalisation des tâches, et finalement l'exécution du plan de tâches. Pour les systèmes redondants tels que les robots humanoïdes, la tâche (dans le sens de fonction de tâche) détermine une commande sur une partie du robot, permettant ainsi la réalisation simultanée de plusieurs tâches à l'aide d'un formalisme de pile de tâches. Cependant, les mécanismes d'ordonnancement classiques ne gèrent pas les cas où le mouvement est déterminé par un ensemble de tâches hiérarchisé: pour ces robots, la phase d'ordonnancement est éludée et l'exécution se base directement sur la plan de tâches donné par le planificateur. Le but de cette thèse est de réintroduire cette phase d'ordonnancement, tout en maintenant le rôle central de la tâche. Dans un premier temps, la continuité de la commande fournie par la pile de tâches est étudiée. En particulier, nous mettons en évidence les discontinuités accompagnant la réalisation d'événements discrets (à savoir l'insertion, le retrait et l'échange de priorité de tâches), puis proposons et comparons plusieurs méthodes de lissage. Ensuite, nous présentons une méthode permettant d'optimiser une séquence de tâches donnée en modifiant le timing et la paramétrisation des tâches, tout en respectant les contraintes liées à l'environnement. Enfin, une nouvelle utilisation de la flexibilité de la fonction de tâche consistant à adapter une séquence de tâches aux préférences d'un utilisateur humain est illustrée. Ces résultats sont illustrés sur un robot humanoïde. / A general agreed approach on mission and motion planning consists in splitting it into three steps: decomposing the mission into a sequence of tasks (task planning), determining the order of realization and the timing of the tasks (task scheduling) and finally executing the task sequence. This approach maintains the task component in the entire reasoning, using it as a bridge between planning, scheduling and execution.In the sense of task function, a task defines a control law on part of the robot. Hence, for highly redundant systems such as humanoid robots, it is possible to realize several tasks simultaneously using a stack-of-tasks formalism. Though, classical schedulers do not handle the case where the motion is specified not by one, but by a combination of tasks organized into a hierarchy. As a result, the scheduling phase is usually skipped. This thesis aims at reintroducing the scheduling phase, while maintaining the central role of the task.First, the stack-of-tasks formalism is recalled and the continuity of the control law is studied. Particularly, we show that discreet operations (insertion, removal and swap of priority between tasks) create discontinuities in the control. We then present and discuss smoothing methods. Second, we present a task-overlapping based method to optimize not only the scheduling but also the behavior of the tasks of a given sequence, while accounting for the physical constraint of the execution. Finally, we introduce a new perspective in the usage of the task-function approach the task function approach to personalize a task sequence and take into account user preferences.These results are experimented on the humanoid robot platform HRP-2.

Structures made of plate-like components are common in a variety of industries where the impacts of structural failures are severe. In many cases these structures are surrounded and only partially accessible, such as storage tanks and bridges, making them difficult to inspect frequently. The application of ultrasonic Guided Waves (GWs) in the evaluation and monitoring of relatively large plate-like structures is evermore a feasible option with the continuous development of transducer arrays. The use of transducer arrays is however complex due to directional control and the existence of many GW modes. Aimed at the evaluation of plate-like structures, in this research two piezoelectric transducer arrays respectively capable of omnidirectional and unidirectional control of the fundamental GW shear mode in plates (SH0) with above 20 dB mode purity are successfully designed, produced and validated. Omnidirectionality facilitates full structural evaluation coverage and can lead to defect mapping of large volumes with relatively few transducers. A unidirectional beam with relatively high mode purity facilitates evaluation of specific structural locations. Preference to the SH0 mode was given because of its non-dispersive and in-plane propagation properties making it more suitable than other GW modes to propagation in structures surrounded by fluid material. To enable the array development, a number of monolithic piezoelectric thickness-shear transducers of varied area were characterised with respect to GW mode directionality, amplitude and SH0 mode purity. The characterisation of each thickness-shear transducer allows for optimised superposition manipulation for specific applications. A single characterised shear transducer was selected for use in the development of omnidirectional and unidirectional SH0 mode transducer arrays. To aid development a linear superposition analysis model was produced and used to predict for a circular array design the optimum parameters for omnidirectional SH0 mode transmission with significant mode purity. A range of parameter combinations were evaluated and their predicted influence on array performance was characterised. The same method was employed to optimise a dual row linear array design for the unidirectional transducer array. All results were validated by FE models and later with empirical data. Both developed transducer arrays were characterised with respect to GW mode directionality, magnitude and SH0 mode purity. Both their detection sensitivity to pertinent defects and structures was validated, demonstrating relevance to Non Destructive Evaluation (NDE) and Structural Health Monitoring (SHM) applications.