In this thesis a method for determining optimal dead space in an axial-type expander is developed. The axial-type expander in question is for use in a steam engine, a environmental friendly and fuel-agnostic alternative to the ICE-engine. Optimal dead space is of importance as an increase in the dead space lowers the efficiency of the engine, however, is needed to ensure operation of expander as the piston could otherwise collide with the expander chamber top surface. The model for determining the optimal dead space in this thesis is based on vectorial tolerance models used for kinematic assemblies, and include the effect of thermal expansion, clearances at joints, manufacturing tolerances and deformations. With resulting tolerances and safety factors, a safe position of the expansion chamber top surface can then be established by Monte Carlo analysis. With input of design variables and the effect from factors mentioned and their effect on the minimal safe distance is calculated using the model in this thesis. From numerical analysis, the factors having the most contribution on the dead space are concluded to be thermal expansion of piston and piston rod, dimensional manufacturing tolerances of piston and piston rod, clearance at ball joints, axial clearance at shaft and bending of Z-shaft. / I detta examensarbete har en metod för att bestämma det optimala avståndet mellan kolv och expansionskammarens högsta yta tagits fram. Axial-kolvmotorn avses för bruk i en ångmotor, ett miljövänligt alternativ till bensin och dieselmotorer som kan drivas med många drivmedel, t.ex. biomassa. Att bestämma detta optimala avstånd är viktigt eftersom en ökning i detta avstånd minskar motorns effektivitet. Dock behövs ett visst avstånd för att säkerställa att ingen kontakt mellan de två ytorna sker under drift. Modellen framtagen i detta examensarbete baserar sig på tolerans analys-modeller med vektorer som används för mekanismer under rörelse. I denna modell inkluderas effekten av termisk expansion, glapp i kontakt mellan komponenter, tillverkningstoleranser och deformationer på kolvens rörelse. Med hjälp av resulterande toleranser och säkerhetsfaktorer kan genom Monte Carlo simulationer ett optimalt avstånd mellan kolv och expansionkammaren bestämmas. Genom inmatning av designvariabler och undersökta effekter kunde genom numerisk analys konstateras att de viktigaste parametrarna att undersöka med störst effekt på axial-kolvmotorn var termisk expansion av kolv och kolvstång, dimensionella toleranser av kolv och kolvstång, glapp i kul-kontakter, axial rörelsefrihet vid kulled och böjning av Z-axel.

Les mécanismes hyperstatiques sont souvent utilisés dans l’industrie pour garantir une bonne tenue mécanique du système et une bonne robustesse aux écarts de fabrication des surfaces. Même si ces assemblages sont très courants, les méthodologies d’analyse de tolérances de ces mécanismes sont difficiles à mettre en oeuvre.En fonction de ses écarts de fabrication, un assemblage hyperstatique peut soit présenter des interférences de montage, soit être assemblé avec jeu. Dans ces travaux de thèse, nous avons appliqué la méthode des polytopes afin de détecter les interférences de montage. Pour un assemblage donné, le polytope résultant du mécanisme est calculé. Si ce polytope est non vide, l’assemblage ne présente pas d’interférence. Si ce polytope est vide, l’assemblage présente des interférences de montage. En fonction du résultat obtenu, deux méthodes d’analyse distinctes sont proposées.Si l’assemblage est réalisable sans interférence le polytope résultant du mécanisme permet de conclure sur sa conformité au regard de l’exigence fonctionnelle. Si l’assemblage présente des interférences de montage, une analyse prenant en compte la raideur des pièces est réalisée. Cette approche est basée sur une réduction de modèle avec des super-éléments. Elle permet de déterminer rapidement l’état d’équilibre du système après assemblage. Un effort de montage est ensuite estimé à partir de ces résultats pour conclure sur la faisabilité de l’assemblage. Si l’assemblage est déclaré réalisable, la propagation des déformations dans les pièces est caractérisée pour vérifier la conformité du système au regard de l’exigence fonctionnelle.La rapidité de mise en oeuvre de ces calculs nous permet de réaliser des analyses de tolérances statistiques par tirage de Monte Carlo pour estimer les probabilités de montage et de respect d’une Condition Fonctionnelle. / Over-constrained mechanisms are often used in industries to ensure a good mechanical strength and a good robustness to manufacturing deviations of parts. The tolerance analysis of such assemblies is difficult to implement.Indeed, depending on the geometrical deviations of parts, over-constrained mechanisms can have assembly interferences. In this work, we used the polytope method to check whether the assembly has interferences or not. For each assembly, the resulting polytope of the mechanism is computed. If it is non empty, the assembly can be performed without interference. If not, there is interferences in the assembly. According to the result, two different methods can be implemented.For an assembly without interference, the resulting polytope enables to check directly its compliance. For an assembly with interferences, a study taking into account the stiffness of the parts is undertaken. This approach uses a model reduction with super elements. It enables to compute quickly the assembly with deformation. Then, an assembly load is computed to conclude on its feasibility. Finally, the spreading of deformation through the parts is calculated to check the compliance of the mechanism.The short computational time enables to perform stochastic tolerance analyses in order to provide the rates of compliant assemblies.

La géométrie d'une pièce fabriquée réelle diffère de la pièce virtuelle de CAO (Conception Assistée par Ordinateur. Cette différence est due à la somme des écarts inhérents à la fabrication. L'objectif de ce travail est d’introduire des pièces virtuelles ayant des défauts de forme (Skin Model Shape) dans les applications d'ingénierie afin de répondre aux exigences croissantes de l'industrie en matière de gestion de la qualité de la géométrie des produits. Les travaux traitent de divers aspects, particulièrement de la génération de défauts de forme, de la simulation d'assemblage et de la métrologie virtuelle.Les méthodes permettant de générer des défauts de forme sur des surfaces simples sont analysés et classées. En raison des défauts de forme, la combinaison de surfaces simples pour générer une pièce entière induit une incohérence géométrique au niveau des arêtes. Une méthode globale basée sur les éléments finis et une méthode locale basée sur le lissage local de maillage sont utilisées pour résoudre ce problème.Pour prédire l'écart des caractéristiques fonctionnelles, la simulation d'assemblage est effectuée en utilisant des surfaces avec défauts de forme. Une approche est développée sur la base de la condition de complémentarité linéaire et du torseur de petits déplacements pour prendre en compte les conditions aux limites de l'assemblage, telles que les déplacements et les charges.Des méthodes pour évaluer les écarts sur les modèles de surfaces avec défauts de forme sont également étudiées. Les spécifications sur le produit sont exprimées avec GeoSpelling et évaluées à l'aide du torseur de petits déplacements. Les méthodes développées sont intégrées dans un laboratoire virtuel pour l'apprentissage en ligne.Les études susmentionnées complètent et étendent les méthodes de gestion des tolérances basées sur GeoSpelling et le « skin » modèle. / The geometry of a real manufactured part differs from the virtual workpieces designed in Computer Aided Design (CAD) systems. This difference is due to the accumulation of unavoidable manufacturing deviations. The objective of this work is to implement virtual workpieces with form defects (Skin Model Shape) in engineering applications to meet the industry’s increasing demands in product geometry quality management. Various aspects are covered here, in particular form defect generation, assembly simulation and virtual metrology.Methods to generate form defects on simple surfaces are reviewed and classified. Due to form defects, the combination of simple surfaces to generate a whole part led to inconsistency on the edges. A global FEA-based method and a local mesh smoothing based method are used to overcome this issue.To predict the deviation of functional characteristics, assembly simulation is conducted using skin model shapes. An approach is developed based on the Linear Complementarity Condition and the Small Displacement Torsor to take into account assembly boundary conditions, such as displacements and loads.Methods to evaluate deviation values on skin model shapes are also studied. Product specifications are expressed with GeoSpelling, and evaluated using the Small Displacement Torsor method. The developed methods are integrated into an online Virtual Laboratory for e-learning.The above-mentioned studies complement and extend the tolerance management methods based on GeoSpelling and skin models.

This study presents Computer-Aided Fixture Design Verification (CAFDV) - the methods and implementations to define, measure and optimize the quality of fixture designs. CAFDV verifies a fixture for its locating performance, machining surface accuracy, stability, and surface accessibility. CAFDV also optimizes a fixture for its locator layout design, initial clamping forces, and tolerance specification. The demand for CAFDV came from both fixture design engineers and today's supply chain managers. They need such a tool to inform them the quality of a fixture design, and to find potential problems before it is actually manufactured. For supply chain managers, they will also be able to quantitatively measure and control the product quality from vendors, with even little fixture design knowledge. CAFDV uses two models - one geometric and one kinetic - to represent, verify and optimize fixture designs. The geometric model uses the Jacobian Matrix to establish the relationship between workpiece-fixture displacements, and the kinetic model uses the Fixture Stiffness Matrix to link external forces with fixture deformation and workpiece displacement. Computer software for CAFDV has also been developed and integrated with CAD package I-DEAS TM. CAD integration and a friendly graphic user interface allows the user to have easy interactions with 3D models and visual feedback from analysis results.

La conception de produits a pour objectif de définir techniquement un produit en satisfaisant les besoins de l'ensemble des clients du cycle de vie du produit. Les enjeux industriels conduisent à développer des modèles et des outils d'aide à la conception afin de répondre aux besoins clients tout en optimisant le triptyque coût-qualité délais. L'objectif de cette thèse est de proposer une vision globale permettant d'appréhender les différents types de modélisation. Pour atteindre cet objectif, une analyse globale de ces notions est nécessaire afin d'obtenir une représentation commune du système pour les différentes activités de conception et de simulation. L'intérêt de cette approche est de pouvoir mettre en évidence les dépendances et les relations entre ces activités. Cette approche doit permettre d'appréhender les différents niveaux de détails (systémique) lors de la décomposition fonctionnelle et structurelle du produit. Elle doit également permettre de suivre l'élaboration des modèles physiques pour la simulation. Nous proposons une traçabilité du processus de conception et du processus de modélisation permettant de remettre en cause, le cas échéant, les choix de conception et les hypothèses de modélisation. Ce travail est fondé sur des concepts de GeoSpelling comme le " skin modèle ", les opérations et les propriétés. Ils sont enrichis d'autres concepts comme les modèles finis et infinis et les modèles primitif et de simulation. / Product design aims to technically define a product satisfying the needs of all customers during the product life cycle. Industrial issues lead to develop models and tools supporting design to meet customer needs and contributing to costs-quality-and time optimisation. The objective of this thesis is to propose an overall vision making it possible to apprehend the various types of modeling. To achieve this goal, a comprehensive analysis of these concepts is necessary in order to obtain a common representation of the system for the various activities of design and simulation. The advantage of this approach is to highlight the dependencies and relationships among those activities. This approach should allow to apprehend the various levels of detail (systemic) during the functional and structural decomposition activity. It should also enable to monitor the development of the physical models for the simulation. We propose a traceability of the design process and of the modeling process allowing to review as appropriate the design choices and the modeling assumptions. This work is based on concepts of GeoSpelling as the "skin model", the operations and the properties. They are complemented by other concepts as the finite and infinite models and the primitive and simulation models.

This thesis deals with the reliability analysis of a fuel pump driver circuit (FPDC), which regulates the amount of fuel pumped to a turbojet engine. Reliability analysis in such critical circuits has great importance since unexpected failures may cause serious financial loss and even human death. In this study, two types of reliability analysis are used: &ldquo / Worst Case Circuit Tolerance Analysis&rdquo / (WCCTA) and &ldquo / Failure Modes and Effects Analysis&rdquo / (FMEA). WCCTA involves the analysis of the circuit operation under varying parameters in their tolerance bands. These parameters include the resistances of the resistors, operating temperature and voltage input value. The operation of FPDC is checked and the most critical parameters are determined in the worst case conditions. While performing WCCTA, a method that guarantees the exact worst case conditions is used rather than probabilistic methods like Monte Carlo analysis. The results showed that the parameter variations do not affect the circuit operation unfavorably / operating temperature, voltage input variation and tolerance bands for the resistances are fairly compatible with the circuit operation. FMEA is implemented according to the short circuit and open circuit failures of all the electronic components used in FPDC. The components whose failure has catastrophic effect on the circuit operation have been determined and some preventive actions have been offered for some catastrophic failures.

Teil 1 Karsten Berndt Die Festlegung von Toleranzen ist eine alltägliche Aufgabenstellung des Konstrukteurs. Dabei bedingt die Berechnung nichtlinearer Toleranzketten einen erheblichen Zeitaufwand, wodurch meist auf deren genaue Berechnung vezichtet wird und Toleranzen stattdessen auf Basis von Erfahrungswerten festgelegt werden. Die vorgestellte Methodik zeigt Wege, wie schnell und frühzeitig im Konstruktionsprozess belastbare Aussagen zu Toleranzen komplexer Mechanismen getroffen werden können. Dazu werden sogenannte Sensitivitätsanalysen in der CAD-Software "Creo Elements" durchgeführt und ausgewertet. Das Ergebnis sind erste konkrete Toleranzfelder für alle den Mechanismus beschreibenden, geometrischen Abmessungen, welche sich als Startwerte für den anschließenden Toleranzsynthese/-analyseprozess eignen. Teil 2 Marko Ebermann Dieser zweite Vortragsteil behandelt eine mögliche Vorgehensweise zur Tolerierung von Geometrieabweichungen in der frühen Entwurfsphase am Beispiel des Koppelgliedes einer Verpackungsmaschine. Ausgangspunkt für die frühe Tolerierung bildet die im ersten Vortragsteil behandelte Sensitivitätsanalyse des Koppelgetriebes, welche Informationen zur Empfindlichkeit der Funktionsmaße bezüglich der Einhaltung der Schließmaßtoleranz lieferte. Die daraus abgeleitete Form- und Lagetolerierung des Koppelgliedes soll durch anschließende Toleranzamalysen die Tolerierung im Baugruppenkontext bestätigen und auf möglich Fertigungsverfahren abzielen, ohne die genaue Gestalt der Komponenten zu kennen. So können teure und zeitintensive Iterationsschleifen im Konstruktionsprozess minimiert und die Funktionalität frühzeitig gesichert werden.

L'analyse des tolérances des mécanismes a pour but d'évaluer la qualité du produit lors de sa phase de conception. La technique consiste à déterminer si, dans une production de grandes séries, le taux de rebuts des mécanismes défaillants est acceptable. Deux conditions doivent être vérifiées: une condition d'assemblage et une condition fonctionnelle. La méthode existante se base sur le couplage de la simulation de Monte Carlo avec un algorithme d'optimisation qui est très couteuse en temps de calcul. L'objectif des travaux de thèse est de développer des méthodes plus efficaces basées sur des approches probabilistes. Dans un premier temps, il est proposé une linéarisation des équations non linéaires du modèle de comportement afin de simplifier l'étape faisant appel à l'algorithme d'optimisation. Une étude de l'impact de cette opération sur la qualité de la probabilité est menée. Afin de minimiser l'erreur d'approximation, deux procédures itératives pour traiter le problème d'assemblage sont proposées. Ils permettent de calculer la probabilité de défaillance d'assemblage de façon précise en un temps de calcul réduit. En outre, les travaux de thèse ont permis le développement d'une nouvelle méthode de résolution basée sur la méthode de fiabilité système FORM (First Order Reliability Method) système. Cette méthode permet de traiter uniquement le problème fonctionnel. Elle a nécessité la mise au point d'une nouvelle formulation du problème d'analyse des tolérances sous forme système. La formulation décompose le mécanisme hyperstatique en plusieurs configurations isostatiques, le but étant de considérer les configurations dominantes menant à une situation de défaillance. La méthode proposée permet un gain de temps considérable en permettant d'obtenir un résultat en quelques minutes, y compris pour atteindre des faibles probabilités. / Tolerance analysis of mechanism aims at evaluating product quality during its design stage. Technique consists in computing a defect probability of mechanisms in large series production. An assembly condition and a functional condition are checked. Current method mixes a Monte Carlo simulation and an optimization algorithm which is too much time consuming. The objective of this thesis is to develop new efficient method based on probabilistic approach to deal with the tolerance analysis of overconstrained mechanism. First, a linearization procedure is proposed to simplify the optimization algorithm step. The impact of such a procedure on the probability accuracy is studied. To overcome this issue, iterative procedures are proposed to deal with the assembly problem. They enable to compute accurate defect probabilities in a reduced computing time. Besides, a new resolution method based on the system reliability method FORM (First Order Reliability Method) for systems was developed for the functional problem. In order to apply this method, a new system formulation of the tolerance analysis problem is elaborated. Formulation splits up the overconstrained mechanism into several isoconstrained configurations. The goal is to consider only the main configurations which lead to a failure situation. The proposed method greatly reduces the computing time allowing getting result within minutes. Low probabilities can also be reached and the order of magnitude does not influence the computing time.

L'étude présente les méthodes pour identifier et simuler les défauts de fabrication tridimensionnels. Les méthodologies ont été élaborées sur la base des travaux antérieurs, tels que la méthode de simulation MMP (Model of Manufactured Part) présentée par F. Villeneuve et F. Vignat, associée à la méthode de la double mesure présentée par S. Tichadou.Dans cette thèse, la première méthode proposée, basée sur la méthode des petits déplacements (TPD) est présentée et permet l'identification des défauts de fabrication. Cette méthode permet de distinguer les défauts d'usinage et les défauts de positionnement d'un lot de pièces au cours d’un processus de fabrication. Les résultats obtenus dans cette méthode représentent les dispersions géométriques des pièces usinées. En outre, une méthode d’analyse modale de défauts a été réalisée pour analyser les défauts de forme d'une pièce mesurée sur une MMT avec un nombre restreint de points de mesure (10 points sur chaque surface usinée). Les résultats montrent que les modes des défauts de forme sont obtenus correctement (bombé, ondulation, vrillage, etc.)En raison de l'importance du rôle du défaut de positionnement dans la qualité d'un produit en cours de fabrication, ensuite deux indicateurs simples ont été proposés pour évaluer la qualité globale d’un montage de fixation de pièces.Par ailleurs, un modèle permettant de simuler les défauts de positionnement d'une pièce fixée sur un mandrin à trois mors a été développé. Le modèle final de simulation est une combinaison de trois méthodes: plan d’expérience, simulation par éléments finis, et simulation de Monte Carlo. Pour la méthode des plans d’expérience, trois facteurs, qui sont supposés être les plus importants dans les défauts de positionnement, sont utilisés dans le modèle. Les résultats obtenus à partir des simulations sont exprimés sous forme de distributions et de paramètres statistiques caractéristiques. Ceux-ci sont ensuite utilisés pour effectuer les simulations en appliquant la méthode de Monte Carlo.Enfin, un modèle global est proposé, pour simuler la gamme de fabrication d’une pièce fraisée. Ce modèle permet de vérifier la gamme choisie avec des tolérances fonctionnelles de la pièce imposée. De plus, cette méthode permet de vérifier une gamme de fabrication en garantissant les tolérances fonctionnelles imposées ou une utilisation inverse qui permet de déterminer les tolérances garantissant un nombre de pièces usinées hors des zones de tolérance. / The research presents methodologies to identify and simulate manufacturing defects in three-dimension. The methodologies have been developed based on the previous works, such as the MMP (Model of Manufactured Part) simulation method presented by F. Villeneuve and F. Vignat, and the double measurement method is presented by S. Tichadou.In this thesis, the first proposed method based on the Small Displacement Torsor (SDT) concept is presented for identification of manufacturing defects. This method allows distinguishing the machining defects and positioning defects of a batch of parts during a process plan. The results obtained in this method represent geometric dimension errors of machined parts. In addition, we applied the parameterization method, which is usually used to analyze form defects of a part measured on a CMM with hundreds of measurement points, to complete the analysis of the form defects with a restricted number of measurement points (10 points on each machined surface). Even though this number appears to be low, the modes of the form defects are almost obtained (comber, undulation, twist, etc).Because of the important role of the positioning defect in the quality of a product during manufacturing, we then propose two simple indicators for evaluating the global quality of a fixture.Furthermore, we developed a model for simulating positioning defects of a workpiece fixed on a three-jaw chuck. The model is a combination of three methods: design of experiments, finite element simulation, and Monte Carlo simulation. Three factors, which are assumed to be the most important in positioning defects, are used in this model. Based on the simulated results, the influences of these factors are estimated. The results obtained from simulations can be expressed by form of distributions or statistical parameters. These allow using simulation of tolerance analysis based on Monte Carlo simulation.Finally, a model is developed based on MMP for tolerance analysis. This model allows us to verify a given process plan with functional tolerances of the machined part by determination of a number of machined parts out of tolerance zones or determine functional tolerances of a batch of machined parts based on a given process plan (without functional tolerances) and a number of rejected parts per million.

Master's thesis deals with the damage tolerance analysis of wing-to-fuselage joint of L 410 NG airplane. Thesis includes determination of the load distribution to the individual attachments of wing-to-fuselage joint, residual strength analysis and residual fatigue life analysis of the most loaded attachment lugs, calculation of fatigue crack growth curves in the attachment solids and inspection program proposal. This analysis was performed using FE model of the wing and central part of the fuselage and AFGROW software.