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Finite element modelling of the sacral soft tissues under compressive loading in the context of pressure ulcer prevention: importance of the personalization of the material parameters
No full textInternational audienceBackground: Pressure ulcers are a common occurrence in the sacrum and are frequently associated with deep tissue injury. Research has demonstrated that compression and mechanical strain contribute to tissue damage and can be employed to assess the risk of injury. Despite the existence of several finite element models based on this evidence, the experimental evaluation of localized tissue strain is rarely addressed. Methods: The objective of this study is to present a proof-of-concept protocol for creating subject-specific finite element models of sacral soft tissues under compressive loading and to compare the model predictions with experimental data based on Digital Volume Correlation of MRI data. The data was collected from one asymptomatic volunteer in four loading conditions (vertical loading of 4.3 N, 6.1 N, 8 N and 11.9 N). Findings: A comparison of DVC-derived tissue displacements with the Finite Element simulations demonstrated accurate estimations for maximum values and displacement distribution fields for all load cases, with less than 5 % discrepancy for load configurations L1-L3 and 7 % for load configuration L4. Concerning shear strains, it was observed that there were significant differences between the DVC-derived experimental tissue shear strains and the simulation predictions when generic constitutive parameters were used. The highest difference was 43 % for the highest load configuration (11.9 N). Interpretation: These results demonstrate that incorporating personalized tissue properties substantially improves model fidelity, highlighting the potential of combined imaging, mechanical testing, and FE modelling for individualized risk assessment of deep tissue injury
Co-design of products and next-generation manufacturing systems– return on eight years of applied research
No full textInternational audienceIn a rapidly changing industrial context, manufacturing companies must ensure high flexibility whilemaintaining performance. Since 2017, applied research in collaboration with an automotive supplierhas focused on co-designing products and assembly processes to develop modular and reconfigurableproduction systems. A new modelling approach has been introduced to stabilise product architectures,enabling product family identification and optimised multi-product assembly systems. Key findingshighlight the importance of positioning and locating in assembly, along with an optimization tooladdressing resource selection and task allocation. Practical applications include modular productionlines and adaptable tools, successfully tested in industrial settings, reducing reconfiguration times andenhancing efficiency. Knowledge transfer activities have strengthened regional expertise, promotinginnovation in standardization and modularity. These efforts demonstrate how collaborative researchdrives industrial competitiveness and fosters local innovation in the factory of the future.Dans un contexte industriel en mutation, les entreprises manufacturières doivent allier flexibilité etperformance. Depuis 2017, une recherche appliquée en partenariat avec un équipementier automobilea permis de co-concevoir des produits et des processus d’assemblage pour développer des systèmes deproduction modulaires et reconfigurables. Une nouvelle approche de modélisation stabilise lesarchitectures produits, facilitant l’identification de familles de produits et l’optimisation des systèmesd’assemblage multiproduits. L’importance du positionnement et du guidage dans l’assemblage a étémise en avant, ainsi qu’un outil d’optimisation pour la sélection des ressources et l’affectation destâches. Des solutions concrètes, telles que des lignes de production modulaires et des outilsadaptables, ont été testées avec succès, réduisant les temps de reconfiguration et améliorantl’efficacité. Le transfert de connaissances a renforcé l’expertise régionale, favorisant l’innovation etla compétitivité dans l’usine du futur
Méthodologie de conception et d'amélioration des systèmes de production basée sur la RV et les indicateurs de performance du facteur humain
No full textThis thesis proposes a methodology of improving workstation design in production systems using immersive virtual reality (VR) for designers. By integrating ergonomic assessment tools and key performance indicators (KPIs), the methodology provides designers with a visual and data-driven approach to evaluate and improve workstation layouts while considering spatial allowances. To ensure the reliability of VR-based assessments, an experimental study was conducted to compare operator behavior in real and immersive workstations. Key behavioral metrics such as task execution time, joint angle variations, and subjective experiences were analyzed, revealing differences influenced by factors like learning effects, workstation order and workstation environment. These findings are incorporated into the methodology to enhance its applicability. A case study verified the methodology, demonstrating how VR-assisted workstation evaluation can identify operator's real behavior, augment productivity, and improve operator comfort. The results confirm that the workstation improvement methodology is a valuable tool for designers, promoting innovation and continuous improvement in production systems.Cette thèse propose une méthodologie visant à améliorer la conception des postes de travail dans les systèmes de production grâce à la réalité virtuelle (VR) immersive pour les concepteurs. En intégrant des outils d’évaluation ergonomique et des indicateurs clés de performance (KPIs), cette méthodologie offre aux concepteurs une approche visuelle et basée sur les données pour évaluer et optimiser l’aménagement des postes de travail tout en prenant en compte les allocations spatiales. Afin d’assurer la fiabilité des évaluations basées sur la VR, une étude expérimentale a été menée pour comparer le comportement des opérateurs dans des postes de travail réels et immersifs. Des métriques comportementales clés, telles que le temps d’exécution des tâches, les variations des angles articulaires et les expériences subjectives, ont été analysées, révélant des différences influencées par des facteurs tels que l’effet d’apprentissage, l’ordre de présentation des postes et l’environnement de travail. Ces résultats sont intégrés dans la méthodologie afin d’en améliorer l’applicabilité. Une étude de cas a permis de valider cette méthodologie, démontrant comment l’évaluation des postes de travail assistée par VR peut identifier le comportement réel des opérateurs, augmenter la productivité et améliorer leur confort. Les résultats confirment que cette méthodologie d’amélioration des postes de travail est un outil précieux pour les concepteurs, favorisant l’innovation et l’amélioration continue des systèmes de production
Développement d'un outil pour l'optimisation du dimensionnement et de la gestion des systèmes multi-sources avec batteries : application aux tours de télécommunication (OSETTA)
No full textThe telecommunications industry faces a dual challenge: democratizing digital access while reducing its environmental impact. This sector accounts for 3% of global energy consumption and generates 430 MtCO₂ annually. Base stations, essential for connectivity, are responsible for 57% of this consumption.The digital divide persists, particularly in Canada where only 64% of rural households have access to 50/10 Mbps Internet connections, compared to 99% in urban areas. This disparity is even more pronounced in Indigenous communities, where 5G access concerns only 41.53% of the population.The sector's energy supply relies on various sources: 46% renewable energy, 43% from the conventional grid, and 11% from diesel generators. However, less than 1% of renewable energy is produced directly on-site. By 2030, the number of sites with unstable network or off-grid is expected to increase by 22%.Facing these challenges, telecom operators aim to reduce their emissions by 50% by 2030 and achieve carbon neutrality by 2050. Major players like Rogers and Bell Canada have already begun this shift by deploying stations powered by renewable energy in remote areas.This research project proposes the development of an optimization tool for hybrid nanogrids combining photovoltaic panels, batteries, and diesel generators to power isolated base stations. The approach targets optimal sizing and economic and environmental management of these systems.The study integrates innovations such as bifacial photovoltaic panels, which offer 10-20% higher efficiency and are expected to represent 20% of the global market by 2030. It also addresses the critical impact of snow accumulation, which can reduce energy yield from 3.5% to 100%.The main contributions revolve around three axes: detailed system modeling, optimization of energy management in the face of uncertainties, and coordination between modeling and management to maximize the integration of renewable energy.The result will be an optimized sizing tool facilitating the planning and management of stations powered by nanogrids, thus contributing to emission reduction policies and the goal of carbon neutrality by 2050.L'industrie des télécommunications affronte un double défi : démocratiser l'accès numérique tout en réduisant son impact environnemental. Ce secteur représente 3% de la consommation énergétique mondiale et génère 430 MtCO₂ annuellement. Les stations de base, essentielles à la connectivité, sont responsables de 57% de cette consommation.La fracture numérique persiste, notamment au Canada où seulement 64% des ménages ruraux accèdent à une connexion Internet 50/10 Mbps, contre 99% en zones urbaines. Cette disparité s'accentue dans les communautés autochtones, où l'accès à la 5G ne concerne que 41,53% de la population.L'approvisionnement énergétique du secteur repose sur des sources variées : 46% d'énergies renouvelables, 43% du réseau conventionnel et 11% de générateurs diesel. Toutefois, moins de 1% des énergies renouvelables est produit directement sur site. D'ici 2030, le nombre de sites en réseau instable ou hors réseau devrait augmenter de 22%.Face à ces enjeux, les opérateurs télécoms visent à réduire leurs émissions de 50% d'ici 2030 et atteindre la neutralité carbone en 2050. Des acteurs majeurs comme Rogers et Bell Canada ont déjà entamé ce virage en déployant des stations alimentées par énergies renouvelables dans les zones éloignées.Ce projet de recherche propose le développement d'un outil d'optimisation des nanoréseaux hybrides associant panneaux photovoltaïques, batteries et générateurs diesel pour alimenter les stations de base isolées. L'approche cible le dimensionnement optimal et la gestion économique et environnementale de ces systèmes.L'étude intègre des innovations comme les panneaux photovoltaïques bifaciaux, qui offrent un rendement supérieur de 10-20% et devraient représenter 20% du marché mondial d'ici 2030. Elle aborde également l'impact critique de l'accumulation de neige, qui peut réduire le rendement énergétique de 3,5% à 100%.Les contributions principales s'articulent autour de trois axes : la modélisation détaillée du système, l'optimisation de la gestion énergétique face aux incertitudes, et la coordination entre modélisation et gestion pour maximiser l'intégration des énergies renouvelables.Le résultat sera un outil de dimensionnement optimisé facilitant la planification et la gestion des stations alimentées par nanoréseaux, contribuant ainsi aux politiques de réduction des émissions et à l'objectif de neutralité carbone d'ici 2050
Virtual reality as emerging technology for education and engineering – a return of experience in mechanical design
No full textInternational audienceThis article offers an in-depth exploration of virtual reality (VR) as an emerging technology in mechanical engineering education, drawing on its implementation at the Arts et Metiers campus in Metz. It highlights a range of student-led projects that leverage VR to design immersive learning environments. Experimental studies involving undergraduate students indicate that VR enhances comprehension of complex mechanical systems and fosters collaborative learning. The article outlines key benefits such as increased student engagement and improved visualisation, while also addressing challenges including motion sickness, high equipment costs, and the need for teacher training. Future developments are considered, including the extension of VR applications to other academic disciplines, the creation of interdisciplinary learning experiences, and the integration of VR into existing teaching frameworks. The study underscores the transformative potential of VR in higher education and its capacity to equip students for the digital environments of the future.Cet article propose une exploration approfondie de la réalité virtuelle (RV) en tant que technologie émergente dans l’enseignement du génie mécanique, en s’appuyant sur sa mise en œuvre sur le campus des Arts et Métiers de Metz. Il met en lumière une série de projets dirigés par des étudiants, qui exploitent la RV pour concevoir des environnements d’apprentissage immersifs. Des études expérimentales menées auprès d’étudiants de premier cycle indiquent que la RV améliore la compréhension des systèmes mécaniques complexes et favorise l’apprentissage collaboratif. L’article présente les principaux avantages de cette technologie, tels qu’un engagement accru des étudiants et une meilleure visualisation, tout en abordant les défis, notamment le mal des transports, les coûts élevés des équipements et la nécessité de former les enseignants. Les perspectives d’avenir sont également examinées, notamment l’extension des applications de la RV à d’autres disciplines académiques, la création d’expériences d’apprentissage interdisciplinaires, et l’intégration de la RV dans les dispositifs pédagogiques existants. L’étude souligne le potentiel transformateur de la RV dans l’enseignement supérieur et sa capacité à préparer les étudiants aux environnements numériques de demain
Etude expérimentale et modélisation 0D de l'impact d'un rouet centrifuge sur le comportement d'un inducteur de l'étage basse pression d'une pompe à carburant d'avion, en présence d'un ratio gaz sur liquide V/L
No full textThis study aims at experimentally investigating the hydrodynamic behaviour of a centrifugal pump, both with and without cavitation. The pump consists of an axial inducer, a centrifugal impeller, and a volute. Three assembly configurations are examined: the inducer alone, the impeller alone, and the combined inducer and impeller. Particular attention is given to cavitating conditions -- low suction pressure -- at four partial flow rates (4% Φref, 16% Φref, 39% Φref, 78% Φref), where Φref is defined as the flow coefficient at which the full-stage pump achieves optimal performance. The hydromechanical performance is analysed and compared across these configurations, with cavitation formation captured using high-speed digital imaging. A spectral analysis of pressure signals is also conducted in operational regimes where instabilities were observed. The results indicate that the inducer mitigates the impact of cavitation on hydromechanical performance as the flow rate approaches the design point Φref. However, at partial flow rates, the inducer negatively impacts pump performance by increasing the critical cavitation number threshold beyond which a head drop occurs. Cavitation-induced instabilities were observed in partial flow regimes and under low suction pressure conditions in configurations involving the inducer. These instabilities, characterized by a very low-frequency signature, result in significant pressure and flow fluctuations, leading to vibrations within the system. Furthermore, these instabilities exhibit a clear dependency on flow rate and rotational speed.Cette étude expérimentale vise à mettre en évidence les interactions entre un rouet centrifuge et un inducteur axial, deux composants essentiels des pompes centrifuges employées dans le domaine aéronautique. Une attention particulière est portée aux régimes de débit partiel par rapport au débit nominal de dimensionnement de la pompe (4% Φref, 16% Φref, 39% Φref, 78% Φref), avec Φref défini comme le débit auquel la pompe démontre les meilleures performances. L’étude est également menée dans des conditions de basse pression dans lesquelles les phénomènes de cavitation sont pleinement développés. Par ailleurs, l'injection de CO2 et sa dissolution dans l'eau de ville permettent d’examiner l’impact des gaz dissous dans le fluide sur les performances hydrauliques de la pompe. Plusieurs configurations sont considérées : le rouet centrifuge seul, l'inducteur seul, et l'association inducteur-rouet, afin de distinguer d'une part la contribution de chaque composant et, d'autre part, leur potentielle interaction. Pour chacune de ces configurations, les performances globales de la pompe sont évaluées en régime non cavitant et cavitant. La dynamique de la cavitation est caractérisée à l’aide d’une caméra rapide, permettant d’obtenir des visualisations instantanées de la morphologie de l’écoulement ainsi que des enregistrements vidéo destinés à l’analyse des instabilités dynamiques. Enfin, une analyse fréquentielle des signaux de pression est conduite afin d’approfondir la compréhension des mécanismes d’instabilités associés aux phénomènes de cavitation
Modélisation énergétique des éléments de transitique pour une optimisation du pilotage des entrepôts logistiques
No full textCette étude présente l'élaboration d'un simulateur dédié à l'évaluation de la consommation énergétique des composants de transitique d'un entrepôt logistique (navette et élévateur). Ce simulateur intègre les paramètres physiques ainsi que les lois cinématiques de pilotage comme variables d'entrée. Les résultats obtenus démontrent que chaque mouvement de l'élévateur offre une opportunité de récupération partielle d'énergie. L'étude souligne l'intérêt d'approfondir l'examen des dispositifs de stockage et de redistribution de cette énergie récupérée. Une identification plus fine des frottements mécaniques améliorerait significativement la justesse du modèle en matière de consommation et de récupération d'énergie. La combinaison des modèles proposés, associée à une simulation de flux reposant sur un carnet de commande et une configuration d'entrepôt définis, permet d'anticiper précisément la consommation énergétique globale de l'entrepôt. Le recours à ce simulateur facilite l'analyse de l'influence des stratégies de pilotage sur la consommation, et pourrait fonder l'élaboration de nouvelles lois de gestion intégrant le critère énergétique.</div
Equivalent Beam Finite Element Model to Assess the Mechanical Behavior of a Composite Hydrofoil
No full textInternational audienceThis paper presents and validates a method to model the static structural behavior of composite hydrofoils with 1D beam finite elements. Classically, 3D solid and 2D shell finite elements are employed to predict the anisotropic and heterogeneous behaviors of composite hydrofoils. Modeling a hydrofoil with 1D beam elements drastically reduces its number of structural parameters and the computational time required for the finite element analysis. The present study investigates the static structural behavior of four hydrofoils, constructed in the same mold with different mechanical properties, leading to a specific bend-twist coupling for each foil. The static deformations of the foils are evaluated experimentally and numerically for different load cases. Two numerical models are considered, one with 3D solid and 2D shell elements and a second with 1D beam elements. Then, the results are compared to assess the validity of the 1D finite element model. The comparisons shows that both numerical models are in good agreement with the experimental results. The results also confirm that the 1D finite element model is able to correctly describe the impact of the fiber orientations on the structural responses of the hydrofoils. The computational time savings allowed by the 1D model are also quantified
Multi-scale magnetic aging model: Precipitation kinetics and magnetic hysteresis coupling
No full textInternational audienc
Analyse modale expérimentale de systèmes non-linéaires variables en temps. application au crissement de frein.
No full textBrake squeal is a complex phenomenon resulting from a mode coupling instability. Despite being a subject of study for many years, no robust design method exists for its prevention and correcting measures are heavily based on prototyping and validation, which is time-consuming and expensive. Squeal testing can be separated into three main activities: classification of squeal occurrences based on acoustic levels, detailed spatial characterization of limit cycles, and modal characterization of components and assemblies. This work thus seeks to propose and analyze the usefulness of different methodological changes to testing methods.A specificity of squeal is that vibration depends on multiple operating parameters pressure, wheel speed, temperature, ... which vary in time relatively slowly compared to the frequencies of squeal limit cycles. It is thus necessary to take this specificity into consideration to design testing methods and analyze their results.As a mean to gain further insight on the effects of slowly changing operating conditions, a new functional model for squeal is proposed based on the well-known Hoffmann model. The novelty lies in replacing the variable friction assumption by a nonlinear contact law, which introduces a sensitivity to the applied pressure (as the static-state is modified), and amplitude (through its effect on the mean pressure). Analyzing and comparing the response of this model in frequency and time domain provides a path to understanding the relations between squeal limit cycle vibration and parameters.The definition of a Harmonic Balance Vector (HBV) signal model and the use of demodulation for its estimation, then allows tracking of quasi-periodic squeal signals without resolution limitations of the Fourier transform. For parametric squeal tests, this method improved occurrence classification by extracting the evolutions of features such as instantaneous frequency, global vibration amplitude, generalized coordinates and shape.For the detailed shape analysis using 3D-SLDV measurements, the HBV signal estimates led to results improved over current methods based on short time Fourier transforms. Applications are illustrated in a contact test bench to obtain the evolution of shapes with pressure, and in a full scale brake tests to obtain the limit cycle shapes.The HBV signal estimation can also extract spatially detailed shapes for higher harmonics. Two indicators (harmonic modulation and harmonic perturbation) are then proposed, based on the notion of instant stiffness, as a mean of evaluating where in a period the system is stiffer or softer.Finally, for in operation parametric Experimental Modal Analysis (EMA), full scale tests showed that modes away from squeal can be consistently identified and tracked. Near squeal, however, the presence of a coherence loss indicates that other methods are required such as the feedforward phase resonance tracking proposed in the analysis of the simplified contact test bench.Le crissement des freins est un phénomène complexe résultat d'une instabilité induite par couplage de modes. Bien qu'il fasse l'objet d'études depuis de nombreuses années, il n'existe pas de méthode de conception robuste pour le prévenir et les mesures correctives reposent largement sur le prototypage et la validation, ce qui est long et coûteux. Les essais de crissement peuvent être séparés en trois activités principales : la classification des occurrences de crissement en fonction des niveaux acoustiques, la caractérisation spatiale détaillée des cycles limites et la caractérisation modale des composants et des assemblages. Ce travail a donc cherché à proposer et à analyser l'utilité de différents changements méthodologiques dans les méthodes d'essai.Une spécificité du crissement est que la vibration dépend de multiples paramètres de fonctionnement : pression, vitesse de roue, température, ... qui varient dans le temps relativement lentement par rapport aux fréquences des cycles limites de crissement. Il est donc nécessaire de tenir compte de cette spécificité pour concevoir des méthodes d'essai et analyser leurs résultats.Afin de mieux comprendre les effets des conditions de fonctionnement qui changent lentement, un nouveau modèle fonctionnel pour le crissement est proposé sur la base du modèle d'Hoffmann bien connu. La nouveauté réside dans le remplacement de l'hypothèse de frottement variable par une loi de contact non linéaire, qui introduit une sensibilité à la pression appliquée (car l'état statique est modifié) et à l'amplitude (par son effet sur la pression moyenne). L'analyse et la comparaison de la réponse de ce modèle dans le domaine fréquentiel et temporel permettent de comprendre les relations entre les vibrations et les paramètres du cycle limite de crissement.La définition d'un modèle de signal de balance harmonique vectoriel (HBV) et l'utilisation de la démodulation pour son estimation permettent ensuite de suivre les signaux quasi-périodiques issus du crissement sans les limites de résolution de la transformée de Fourier. Pour les tests de crissement paramétriques, cette méthode a amélioré la classification des événements en extrayant les évolutions des caractéristiques telles que la fréquence instantanée, l'amplitude globale de la vibration, les coordonnées généralisées et la forme.Pour l'analyse détaillée de la forme à l'aide de mesures 3D-SLDV, les estimations du signal HBV ont permis d'améliorer les résultats par rapport aux méthodes actuelles basées sur les transformées de Fourier à court terme. Les applications sont illustrées dans un banc d'essai de contact pour obtenir l'évolution des formes en fonction de la pression, et dans des essais de freinage sur frein complet pour obtenir les formes du cycle limite.L'estimation du signal HBV peut également extraire des formes spatialement détaillées pour les harmoniques supérieures. Deux indicateurs (modulation harmonique et perturbation harmonique) sont ensuite proposés, sur la base de la notion de rigidité instantanée, comme moyen d'évaluer à quel moment d'une période le système est plus ou moins rigide.Enfin, pour l'analyse modale expérimentale (EMA) paramétrique en fonctionnement, les essais en vraie grandeur ont montré que les modes éloignés du crissement peuvent être identifiés et suivis de manière cohérente. À proximité du crissement, cependant, la présence d'une perte de cohérence indique que d'autres méthodes sont nécessaires, telles que le suivi de la résonance de phase par anticipation proposé dans l'analyse du banc d'essai de contact simplifié