Testing and simulation of fractionary electromechanical rotative drives

This paper concerns the development of drives that use electromechanical rotative motor systems. It is proposed an experimental drive test structure integrated to simulation softwares. The objective of this work is to show that an affordable model validation procedure can be obtained by combining a precision data acquisition with well tuned state-of-the-art simulation packages. This is required for fitting, in the best way, a drive to its load or, inversely, to adapt loads to given drive characteristics.

Modal testing and numerical modeling of the dynamic properties of layered sheet-steel structure

Recently, due to the increasing total construction and transportation cost and difficulties associated with handling massive structural components or assemblies, there has been increasing financial pressure to reduce structural weight. Furthermore, advances in material technology coupled with continuing advances in design tools and techniques have encouraged engineers to vary and combine materials, offering new opportunities to reduce the weight of mechanical structures. These new lower mass systems, however, are more susceptible to inherent imbalances, a weakness that can result in higher shock and harmonic resonances which leads to poor structural dynamic performances. The objective of this thesis is the modeling of layered sheet steel elements, to accurately predict dynamic performance. During the development of the layered sheet steel model, the numerical modeling approach, the Finite Element Analysis and the Experimental Modal Analysis are applied in building a modal model of the layered sheet steel elements. Furthermore, in view of getting a better understanding of the dynamic behavior of layered sheet steel, several binding methods have been studied to understand and demonstrate how a binding method affects the dynamic behavior of layered sheet steel elements when compared to single homogeneous steel plate. Based on the developed layered sheet steel model, the dynamic behavior of a lightweight wheel structure to be used as the structure for the stator of an outer rotor Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator designed for high-power wind turbines is studied.

L'élastographie ultrasonore dynamique vasculaire : une nouvelle modalité d'imagerie non-invasive pour la caractérisation mécanique de la thrombose veineuse

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie.

Mechanical simulation of the endovascular repair of abdominal aortic aneurysms

Ce travail de thèse porte sur la simulation du déploiement des prothèses vasculaires de type stent-graft (SG) lors de la réparation endovasculaire (EVAR) des anévrismes de l’aorte abdominale (AAA). Cette étude se présente en trois parties: (i) tests mécaniques en flexion et compression de SG couramment utilisés (corps et jambage de marque Cook) ainsi que la simulation numérique desdits tests, (ii) développement d’un modèle numérique d’anévrisme, (iii) stratégie de simulation du déploiement des SG. La méthode numérique employée est celle des éléments finis. Dans un premier temps, une vérification du modèle éléments finis (MEF) des SG est realisée par comparaison des différents cas de charge avec leur pendant expérimental. Ensuite, le MEF vasculaire (AAA) est lui aussi vérifié lors d’une comparaison des niveaux de contraintes maximales principales dans la paroi avec des valeurs de la littérature. Enfin, le déploiement est abordé tout en intégrant les cathéters. Les tests mécaniques menés sur les SG ont été simulés avec une différence maximale de 5,93%, tout en tenant compte de la pré-charge des stents. Le MEF de la structure vasculaire a montré des contraintes maximales principales éloignées de 4,41% par rapport à un modèle similaire précédemment publié. Quant à la simulation du déploiement, un jeu complet de SG a pu être déployé avec un bon contrôle de la position relative et globale, dans un AAA spécifique pré-déformé, sans toutefois inclure de thrombus intra-luminal (TIL). La paroi du AAA a été modélisée avec une loi de comportement isotropique hyperélastique. Étant donné que la différence maximale tolérée en milieu clinique entre réalité et simulation est de 5%, notre approche semble acceptable et pourrait donner suite à de futurs développements. Cela dit, le petit nombre de SG testés justifie pleinement une vaste campagne de tests mécaniques et simulations supplémentaires à des fins de validation.

Effect of Silane Coupling Agent on Cure Characteristics and Mechanical Properties of Chloroprene Rubber/Reclaimed Rubber Blend

Chloroprene rubber was blended with whole tire reclaimed rubber (WTR) in presence of different levels of a coupling agent Si69 [bis- (3-(triethoxysilyl)propy1)tetrasuIfide] and the cure characteristics and mechanical properties were studied. The rate and state of cure were also affected by the coupling agent. While the cure time was increased, the cure rate and scorch time were decreased with increasing silane content. Tensile strength, tear strength, and abrasion resistance were improved in the presence of coupling agent. Compression set and resilience were adversely affected in presence of silane-coupling agent.Aging studies showed that the blends containing the coupling agent were inferior to the unmodified blends.

Cure Characteristics and Mechanical Properties of Short Nylon Fiber Reinforced Acrylonitrile Butadiene Rubber/Reclaimed Rubber Blends

Cure characteristics and mechanical properties of short nylon fiber reinforced acrylonitrile butadiene rubber-reclaimed rubber composites were studied. Minimum torque, (maximum-minimum) torque and cure rate increased with fiber concentration. Scorch time and cure time decreased by the addition of fibers. Properties like tensile strength, tear strength, elongation at break, abrasion loss and heat build up were studied in both orientations of fibers. Tensile and tear properties were enhanced by the addition of fibers and were higher in the longitudinal direction. Heat build up increased with fiber concentration and were higher in the longitudinal direction. Abrasion resistance was improved in presence of short fibers and was higher in the longitudinal direction. Resilience increased on the introduction of fibers. Compression set was higher for blends.

Effect of Urethane Based Bonding Agent on the Cure Characteristics and Mechanical Properties of Styrene Butadiene Rubber - Whole Tyre Reclaim - Short Nylon Fiber Composite

The cure characteristics and mechanical properties of short nylon fiber- styrene /whole tyre reclaim (SBR/WTR) composites with and without an interfacial bonding agent based on 4,4 diphenyl methane diisocyanate and polyethylene glycol (MDI/PEG) have been studied. An 80:40 blend of SBR/ WTR reinforced with 20 phr of short nylon fiber has been selected and the MDI/ PEG ratio has been changed from 0.67:1 to 2:1. The minimum and maximum torques increased with isocyanate concentration. The scorch time and cure time showed an initial reduction. The cure rate showed an initial improvement. Tensile strength, tear strength and abrasion resistance increased with MDI/PEG ratio, these values were higher in longitudinal direction. Resilience and compression set increased with isocyanate concentration.

Optimisation of the Mechanical Properties of HDPE/PP Blends and Their Recyclable Composites

This study was undertaken in order to upgrade blends of HDPE and PP, two of the most widely used standard plastics so as to widen their application spectrum. Dicumyl peroxide was used as the modifier for the upgradation. Optimum concentration of dicumyl peroxide required for modification was detennined by measurement of mechanical, rheological, thermal and morphological properties. Selected blends were used to prepare recyclable composites with nylon clothes by compression moulding. The composites were characterized by measurement of mechanical and thermal properties. The composites were recycled and the mechanical propertics of the recycled material were determined.

Thermal Impacts on Building Integrated Photovoltaic (BIPV) (Electrical, Thermal and Mechanical Characteristics)

Ein Drittel des weltweiten gesamten Energiebedarfs wird durch Gebäude verbraucht. Um diesen Energiebedarf teilweise zu decken, den erheblichen Energieverbrauch zu reduzieren und weiterhin andere Gebäudefunktionen beizubehalten, ist Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) eine der am besten geeigneten Lösungen für die Gebäudenanwendung. Im Bezug auf eine Vielzahl von Gestalltungsmöglichkeiten, sind die Randbedingungen der BIPV-Anwendungen eindeutig anders im Vergleich zu Standard-PV-Anwendungen, insbesondere bezüglich der Betriebstemperatur. Bisher gab es nicht viele Informationen zu den relevanten thermischen Auswirkungen auf die entsprechenden elektrischen Eigenschaften zusammen mit thermischen und mechanischen relevanten Gebäudenfunktionen. Die meisten Hersteller übernehmen diese Eigenschaften von entsprechenden PV-Modulen und konventionellen Bauprodukten Normen, die zur ungenauen System- und Gebäudeplanungen führen. Deshalb ist die Untersuchung des thermischen Einflusses auf elektrische, thermische sowie mechanische Eigenschaften das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Zunächst wird das Temperatur-Model mit dem Power-Balance-Konzept erstellt. Unter Berücksichtigung der variablen Installationsmöglichkeiten und Konfigurationen des Moduls wird das Model auf Basis dynamischer und stationär Eigenschaften entwickelt. Im Hinblick auf die dynamische Simulation können der Energieertrag und Leistung zusammen mit der thermischen Gebäudesimulation in Echtzeit simuliert werden. Für stationäre Simulationen können die relevanten Gebäudefunktionen von BIPV-Modulen sowohl im Sommer als auch im Winter simuliert werden. Basierend auf unterschiedlichen thermischen und mechanischen Last-Szenarien wurde darüber hinaus das mechanische Model zusammen mit Variationen von Belastungsdauer, Montagesystem und Verkapselungsmaterialien entwickelt. Um die Temperatur- und Mechanik-Modelle zu validieren, wurden die verschiedenen Prüfeinrichtungen zusammen mit neuen Testmethoden entwickelt. Bei Verwendung der Prüfanlage „PV variable mounting system“ und „mechanical testing equipment“ werden zudem die verschiedenen Szenarien von Montagesystemen, Modul-Konfigurationen und mechanischen Belastungen emuliert. Mit der neuen Testmethode „back-bias current concept“ können zum einen die solare Einstrahlung und bestimmte Betriebstemperaturen eingestellt werden. Darüber hinaus wurden mit den eingangs erwähnten validierten Modellen das jeweilige elektrische, thermische und mechanische Verhalten auf andere Konfigurationen bewertet. Zum Abschluss wird die Anwendung von Software-Tools bei PV-Herstellern im Hinblick auf die entsprechenden Modellentwicklungen thematisiert.

Non-linear mechanical behavior of the elastomer polydimethylsiloxane (PDMS) used in the manufacture of microfluidic devices

Polydimethylsiloxane (PDMS) is the elastomer of choice to create a variety of microfluidic devices by soft lithography techniques (eg., [1], [2], [3], [4]). Accurate and reliable design, manufacture, and operation of microfluidic devices made from PDMS, require a detailed characterization of the deformation and failure behavior of the material. This paper discusses progress in a recently-initiated research project towards this goal. We have conducted large-deformation tension and compression experiments on traditional macroscale specimens, as well as microscale tension experiments on thin-film (≈ 50µm thickness) specimens of PDMS with varying ratios of monomer:curing agent (5:1, 10:1, 20:1). We find that the stress-stretch response of these materials shows significant variability, even for nominally identically prepared specimens. A non-linear, large-deformation rubber-elasticity model [5], [6] is applied to represent the behavior of PDMS. The constitutive model has been implemented in a finite-element program [7] to aid the design of microfluidic devices made from this material. As a first attempt towards the goal of estimating the non-linear material parameters for PDMS from indentation experiments, we have conducted micro-indentation experiments using a spherical indenter-tip, and carried out corresponding numerical simulations to verify how well the numerically-predicted P(load-h(depth of indentation) curves compare with the corresponding experimental measurements. The results are encouraging, and show the possibility of estimating the material parameters for PDMS from relatively simple micro-indentation experiments, and corresponding numerical simulations.

Variable mixed-mode delamination in composite laminates under fatigue conditions: testing & analysis

La majoria de les fallades en elements estructurals són degudes a càrrega per fatiga. En conseqüència, la fatiga mecànica és un factor clau per al disseny d'elements mecànics. En el cas de materials compòsits laminats, el procés de fallada per fatiga inclou diferents mecanismes de dany que resulten en la degradació del material. Un dels mecanismes de dany més importants és la delaminació entre capes del laminat. En el cas de components aeronàutics, les plaques de composit estan exposades a impactes i les delaminacions apareixen facilment en un laminat després d'un impacte. Molts components fets de compòsit tenen formes corbes, superposició de capes i capes amb diferents orientacions que fan que la delaminació es propagui en un mode mixt que depen de la grandària de la delaminació. És a dir, les delaminacions generalment es propaguen en mode mixt variable. És per això que és important desenvolupar nous mètodes per caracteritzar el creixement subcrític en mode mixt per fatiga de les delaminacions. El principal objectiu d'aquest treball és la caracterització del creixement en mode mixt variable de les delaminacions en compòsits laminats per efecte de càrregues a fatiga. Amb aquest fi, es proposa un nou model per al creixement per fatiga de la delaminació en mode mixt. Contràriament als models ja existents, el model que es proposa es formula d'acord a la variació no-monotònica dels paràmetres de propagació amb el mode mixt observada en diferents resultats experimentals. A més, es du a terme un anàlisi de l'assaig mixed-mode end load split (MMELS), la característica més important del qual és la variació del mode mixt a mesura que la delaminació creix. Per a aquest anàlisi, es tenen em compte dos mètodes teòrics presents en la literatura. No obstant, les expressions resultants per l'assaig MMELS no són equivalents i les diferències entre els dos mètodes poden ser importants, fins a 50 vegades. Per aquest motiu, en aquest treball es porta a terme un anàlisi alternatiu més acurat del MMELS per tal d'establir una comparació. Aquest anàlisi alternatiu es basa en el mètode dels elements finits i virtual crack closure technique (VCCT). D'aquest anàlisi en resulten importants aspectes a considerar per a la bona caracterització de materials utilitzant l'assaig MMELS. Durant l'estudi s'ha dissenyat i construït un utillatge per l'assaig MMELS. Per a la caracterització experimental de la propagació per fatiga de delaminacions en mode mixt variable s'utilitzen diferents provetes de laminats carboni/epoxy essencialment unidireccionals. També es du a terme un anàlisi fractogràfic d'algunes de les superfícies de fractura per delaminació. Els resultats experimentals són comparats amb les prediccions del model proposat per la propagació per fatiga d'esquerdes interlaminars.

The effect of impaired thyroid function during development on the mechanical properties of avian bone

Thyroid hormones show fluctuating levels during the post-hatching development of birds. In this paper we report the results of the first mechanical tests to quantify the effect of hypothyroidism, during post-natal development, on the skeletal properties of a precocial bird, the barnacle goose, as determined by microhardness testing. The effect of hypothyroidism is tissue-specific; bone from the femora of birds is not significantly affected by induced hypothyroidism, however, there is a strong positive relationship between the levels of circulating thyroid hormones and the mechanical properties of bone from humeri. In the barnacle goose the development of the wing skeleton and musculature depends on an increase in circulating thyroid hormones and our analysis shows that, in its absence, the mechanical competence of the bone mineral itself is reduced in addition to the decreased bone length and muscle development previously reported in the literature. (C) 2004 Wiley-Liss, Inc.

Interaction of heat-moisture conditions and physical properties in oat processing: I. Mechanical properties of steamed oat groats

Research interest in oats has focussed on their nutritional value, but there have been few studies of their food processing. Heat treatment is characteristic of oat processing, as it is needed to inactivate lipase and to facilitate flaking. A Texture Analyser was used to characterise the mechanical properties of unkilned and kilned oat groats after steaming and tempering in an oven for 30, 60 and 90 min at 80, 95 and 110 degrees C. Maximum force, number of peaks before maximum and final force after 5s hold were used to characterise the behaviour of the groats during compression. Kilned groats were larger and softer before steaming. After steaming and tempering, the moisture content of the kilned groats was higher than for unkilned groats. Hot, steamed oats were softer than cold, unsteamed groats, indicated by a decrease in maximum force from 59 to 55 N, and there was no significant difference between kilned and unkilned groats. However, higher temperatures during tempering increased maximum force. These results suggest that mild steam treatment yields softer oat groats, whereas cold or over-treated groats tend to be harder. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effect of temperature and strain rate on the compressive behaviour of supramolecular polyurethane

Supramolecular polyurethanes (SPUs) possess thermoresponsive and thermoreversible properties, and those characteristics are highly desirable in both bulk commodity and value-added applications such as adhesives, shape-memory materials, healable coatings and lightweight, impact-resistant structures (e.g. protection for mobile electronics). A better understanding of the mechanical properties, especially the rate and temperature sensitivity, of these materials are required to assess their suitability for different applications. In this paper, a newly developed SPU with tuneable thermal properties was studied, and the response of this SPU to compressive loading over strain rates from 10−3 to 104 s−1 was presented. Furthermore, the effect of temperature on the mechanical response was also demonstrated. The sample was tested using an Instron mechanical testing machine for quasi-static loading, a home-made hydraulic system for moderate rates and a traditional split Hopkinson pressure bars (SHPBs) for high strain rates. Results showed that the compression stress-strain behaviour was affected significantly by the thermoresponsive nature of SPU, but that, as expected for polymeric materials, the general trends of the temperature and the rate dependence mirror each other. However, this behaviour is more complicated than observed for many other polymeric materials, as a result of the richer range of transitions that influence the behaviour over the range of temperatures and strain rates tested.

Mechanical, thermal and morphological characterization of polypropylene/biodegradable polyester blends with additives

The (bio)degradation of polyolefins can be accelerated by modifying the level of crystallinity or by incorporation of carbonyl groups by adding pro-oxidants to masterbatches or through exposure to ultraviolet irradiation. In this work we sought to improve the degradation of PP by adding cobalt, calcium or magnesium stearate to Ecoflex(R), PP or Ecoflex(R)/PP blends. The effect of the pro-oxidants on biodegradability was assessed by examining the mechanical properties and fluidity of the polymers. PP had higher values for tensile strength at break and Young`s modulus than Ecoflex(R), and the latter had little influence on the properties of PP in Ecoflex(R)/PP blends. However, the presence of pro-oxidants (except for calcium) reduced these properties. All of the pro-oxidants enhanced the fluidity of PP, a phenomenon that facilitated polymer degradation at high temperatures. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.