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    Data-driven modeling and complexity reduction for nonlinear systems with stability guarantees

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    Modeling the Tribomechanical Properties of Multifunctional Thin Film Coatings

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    RÉSUMÉ L’adoption des traitements de surface par dépôt de revêtements à couche mince s’est rapidement propagée dans divers champs industriels et technologiques tels que les outils d’usinage, les revêtements protecteurs, les revêtements décoratifs, les surfaces hautement réfractaires, les filtres optiques, les composantes optoélectroniques, les dispositifs magnétiques et sensoriels, les prothèses biomédicales et la microélectronique. Avec l’augmentation des requis de performance, les revêtements utilisés pour ces dispositifs doivent être adaptés et conçus pour survivre aux conditions tribomécaniques d’opérations, et ce pour la durée de vie attendue. Pour atteindre cette cible, le concept du design par revêtements multifonctionnels a largement été embrassé par la communauté. Cette approche consiste à déposer une multicouche dans laquelle chacune des couches joue un rôle spécifique dans le fonctionnement global du dispositif. En revanche, avec l’augmentation de la complexité et des subtilités impliquées dans le design de couches multifonctionnelles, un besoin important de développer des outils et modèles prédictifs se manifeste. Par conséquent, l’objectif principal de cette thèse est de développer des modèles numériques reproduisant les conditions tribomécaniques à l’échelle des revêtements; premièrement pour élucider les mécanismes fondamentaux responsables de la dégradation des surfaces revêtues et dans un deuxième temps assister le design de l’architecture des revêtements pour augmenter leur résilience structurale. Lors de l’accomplissement de cette thèse, trois principaux sujets ont été approfondis. La première étude concerne la réponse mécanique d’un revêtement bicouche déposé sur acier, en particulier l’influence d’une inter-couche à haute capacité de charge sur la formation d’empreintes résiduelles ainsi que sur la défaillance du revêtement de surface. En exploitant un modèle de mécanique des milieux continus quasi statique, nous avons caractérisé et prédit les conditions critiques qui mènent à ce type d’endommagement. La deuxième étude porte sur la formation d’un réseau de fissure à la surface d’un revêtement optique déposé sur un substrat de polymère. À l’aide d’essais de traction in situ et d’un modèle à éléments finis en contraintes planes correspondant, nous avons étudié la fracturation et la ténacité de différentes configurations multicouches. En commençant par la caractérisation des propriétés de rupture de monocouches, nous avons clarifié le chemin de fracturation à travers le revêtement et ainsi identifié les paramètres critiques responsables de la défaillance catastrophique du film. ----------Abstract The adoption of thin film coating technologies has been quickly spreading to numerous major industrial and technological fields including machining tools, protective coatings, decorative films, high temperature resistant surfaces, optics, optoelectronic, magnetic and sensorics devices, biomedical prosthetic and microelectronics. As the requirements for high performance continuously increase, the coating of thee components must be adapted and tailored to withstand the tribomechanical solicitations to which they are subjected during the expected lifetime under their typical operation conditions. To meet this objective and associated challenges the multifunctional coating design concept has been widely adopted by the community. In this approach, a layered material is deposited on a supporting substrate in which each layer serves a specific role to the overall device functionality. However, as the complexity and intricacies involved in the design of such multifunctional coatings increase, so is the need for predictive modeling tools to assist in this task. Accordingly, the main objective of this thesis is to develop coating-scale tribomechanical numerical models, first to uncover the underlying mechanisms responsible for the degradation of the coated surfaces, and secondly to guide the coating architectural design to further improve the surface resilience. This thesis presents several case studies which are divided into three principal investigations. In the first study, we investigated the tribomechanical response of a duplex coated steel substrate, most notably the influence of a load-carrying underlayer on the formation of permanent indents and failure of the top coating. Using a quasi-static continuum mechanics indentation model, we were able to characterize and predict the critical conditions which lead to the apparition of the related surface damage. The second case study was related to the formation of crack patterns at the surface of an optical film deposited on a polymer substrate. Using an in situ tensile experiment and a corresponding plane strain finite element model, we investigated the fracturability and toughness of different stack configurations. By first characterizing the fracture properties of the single layers individually, we were able to uncover the fracture pathway in a multilayer coating and identify the most critical parameters responsible for the catastrophic failure of the stack. Finally, we probed the potential application of bio-inspired functionally graded coatings for enhanced protection against erosive wear. The influence of the mechanical depth profile on the load spreading and crack driving forces were investigated

    Historia, evolución y perspectivas de futuro en la utilización de técnicas de simulación en la gestión portuaria: aplicaciones en el análisis de operaciones, estrategia y planificación portuaria

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    Programa Oficial de Doutoramento en Análise Económica e Estratexia Empresarial. 5033V0[Resumen] Las técnicas de simulación, tal y como hoy las conocemos, comenzaron a mediados del siglo XX; primero con la aparición del primer computador y el desarrollo del método Monte Carlo, y más tarde con el desarrollo del primer simulador de propósito específico conocido como GPS y desarrollado por Geoffrey Gordon en IBM y la publicación del primer texto completo dedicado a esta materia y llamado the Art of Simulation (K.D. Tocher, 1963). Estás técnicas han evolucionado de una manera extraordinaria y hoy en día están plenamente implementadas en diversos campos de actividad. Las instalaciones portuarias no han escapado de esta tendencia, especialmente las dedicadas al tráfico de contenedores. Efectivamente, las características intrínsecas de este sector económico, le hacen un candidato idóneo para la implementación de modelos de simulación con propósitos y alcances muy diversos. No existe, sin embargo y hasta lo que conocemos, un trabajo científico que compile y analice pormenorizadamente tanto la historia como la evolución de simulación en ambientes portuarios, ayudando a clasificar los mismos y determinar cómo estos pueden ayudar en el análisis económico de estas instalaciones y en la formulación de las oportunas estrategias empresariales. Este es el objetivo último de la presente tesis doctoral.[Resumo] As técnicas de simulación, tal e como hoxe as coñecemos, comezaron a mediados do século XX; primeiro coa aparición do computador e o desenvolvemento do método Monte Carlo e máis tarde co desenvolvemento do primeiro simulador de propósito específico coñecido como GPS e desenvolvido por Geoffrey Gordon en IBM e a publicación do primeiro texto completo dedicado a este tema chamado “A Arte da Simulación” (K.D. Tocher, 1963). Estas técnicas evolucionaron dun xeito extraordinario e hoxe en día están plenamente implementadas en diversos campos de actividade. As instalacións portuarias non escaparon desta tendencia, especialmente as dedicadas ao tráfico de contenedores. Efectivamente, as características intrínsecas deste sector económico, fanlle un candidato idóneo para a implementación de modelos de simulación con propósitos e alcances moi variados. Con todo, e ata o que coñecemos, non existe un traballo científico que compila e analiza de forma detallada tanto a historia como a evolución da simulación en estes ambientes portuarios, clasificando os mesmos e determinando como estes poden axudar na análise económica destas instalacións e na formulación das oportunas estratexias empresariais. Este é o último obxectivo da presente tese doutoral.[Abstract] Simulation, to the extend that we understand it nowadays, began in the middle of the 20th century; first with the appearance of the computer and the development of the Monte Carlo method, and later with the development of the first specific purpose simulator known as GPS developed by Geoffrey Gordon in IBM. This author published the first full text devoted to this subject “The Art of Simulation” in 1963. These techniques have evolved in an extraordinary way and nowadays they are fully implemented in different fields of activity. Port facilities have not escaped this trend, especially those dedicated to container traffic. Indeed, the intrinsic characteristics of this economic sector, make it a suitable candidate for the implementation of simulation with very different purposes and scope. However, to the best of our knowelegde, there is not a scientific work that compiles and analyzes in detail both, the history and the evolution of simulation in port environments, contributing to classify them and determine how they can help in the economic analysis of these facilities and in the formulation of different business strategies. This is the ultimate goal of this doctoral thesis

    Application of NLq Neural Control Theory to a Ball and Beam System

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