Advances in CAD/CAM/CAE Technologies

CAD/CAM/CAE technologies find more and more applications in today’s industries, e.g., in the automotive, aerospace, and naval sectors. These technologies increase the productivity of engineers and researchers to a great extent, while at the same time allowing their research activities to achieve higher levels of performance. A number of difficult-to-perform design and manufacturing processes can be simulated using more methodologies available, i.e., experimental work combined with statistical tools (regression analysis, analysis of variance, Taguchi methodology, deep learning), finite element analysis applied early enough at the design cycle, CAD-based tools for design optimizations, CAM-based tools for machining optimizations

Applications of Finite Element Modeling for Mechanical and Mechatronic Systems

Modern engineering practice requires advanced numerical modeling because, among other things, it reduces the costs associated with prototyping or predicting the occurrence of potentially dangerous situations during operation in certain defined conditions. Thus far, different methods have been used to implement the real structure into the numerical version. The most popular uses have been variations of the finite element method (FEM). The aim of this Special Issue has been to familiarize the reader with the latest applications of the FEM for the modeling and analysis of diverse mechanical problems. Authors are encouraged to provide a concise description of the specific application or a potential application of the Special Issue

Study and characterisation of surface integrity modification after ultrasonic vibration-assisted ball burnishing

Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université Toulouse III Paul Sabatier. Aplicat embargament des de la data de defensa fins a gener de 2020Premi extraordinari doctorat UPC curs 2017-2018. Àmbit d’Enginyeria IndustrialThis dissertation is an experimental research project into the mechanical effects of the ultrasonic vibration-assisted ball burnishing process on the surface integrity of surfaces machined through ball-end milling. Due to the lack of commercial tools able to perform this process, the study includes firstly the design and characterization of a prototype to that effect. An experimental analysis is then undertaken, applying the process to AISI 1038 and Ti-6Al-4V surfaces of high industrial and aeronautical value. The experimental campaign is designed based on a Taguchi orthogonal array that includes five factors, namely: preload, number of passes, feed velocity, strategy and initial surface texture. Results are analyzed in terms of topological characteristics, residual stress and hardness, in order to identify and understand the impact of process parameters on surface integrity, to define the best parameters for performing the process and to assess the positive effects caused by the introduction of vibrations as a means of assistance. Results reveal that the initial texture is the most influential parameter on all outcomes. Texture results show that the vibrations can enhance the roughness and texture results, as long as they have sufficient low initial amplitude. Furthermore, only the preload and number of passes influence the results, with a pair of values being found in all cases that serve a threshold from which further plastic strain is detrimental for the final surface topology. In terms of residual stress, all parameters are influential in the results, especially the burnishing strategy, through which a certain component of the residual stress tensor can be adequately reinforced. Finally, the burnishing operation proves to modify the hardness of deep layers down to 0.5 mm, applying the vibration-assisted process. .e main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimization objective. Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired targetEsta tesis es un estudio experimental que versa sobre los efectos del proceso de bruñido con bola asistido por vibraciones ultrasónicas sobre la integridad superficial de superficies mecanizadas mediante fresa hemisférica. Dada la indisponibilidad de herramientas comerciales capaces de efectuar este proceso, el estudio incluye en primer lugar el diseño y caracterización de un prototipo a tal efecto. Posteriormente, se realiza un análisis experimental aplicando el proceso sobre superficies de dos aleaciones de interés industrial y aeronáutico, AISI 1038 y Ti-6Al-4V, siguiendo un diseño de experimentos fraccionario basado en una matriz ortogonal de Taguchi. Para ello, cinco factores son incluidos en el modelo, a saber: la precarga, el número de pasadas, la velocidad de avance, la estrategia de bruñido, y la textura de la superficie de partida. Los resultados se evalúan en términos de textura, tensiones residuales y dureza, para identificar y comprender el impacto de este proceso y de sus parámetros de operación sobre la integridad superficial, para definir los mejores parámetros a aplicar para cada material, y con el fin de evaluar los efectos positivos provocados por la introducción de las vibraciones como medio de asistencia. Los resultados revelan que la textura inicial es el parámetro que define en mayor medida el estado de las superficies finales. Los resultados de textura evidencian que las vibraciones pueden mejorar en mayor medida la topología de las superficies objetivo, siempre que éstas sean suficientemente finas. Además, sólo la precarga y el número de pasadas influyen en el resultado, encontrando en todo caso un par de valores limítrofe a partir del cual las superficies se ven dañadas. Los resultados de tensiones residuales muestran que todos los parámetros son influyentes en el resultado final, especialmente la estrategia de bruñido, con la que puede modificarse la dirección preferencial del tensor de tensiones superficial. Finalmente, el bruñido demuestra modificar la dureza positivamente hasta capas de aproximadamente 0,5 mm, aplicando el proceso asistido con vibraciones. Se concluye que los parámetros óptimos de proceso son diferentes en función del objetivo de optimización, y deben definirse en base a dos variables de partida: el material objetivo y la textura que éste presenta antes del proceso.Cette thèse étudie les effets du processus de brunissage à bille assisté par vibrations ultrasoniques sur l’intégrité surface des surfaces usinées par fraisage hémisphérique. Compte tenu de l’inexistence d’outils commerciaux capables de réaliser ce processus, l’étude débute par la conception et la caractérisation d’un prototype capable de l’exécuter. Par la suite, une analyse expérimentale est menée, en utilisant le procédé sur les surfaces de deux alliages d’intérêt industriel et aéronautique, AISI 1038 et Ti- 6Al-4V. Pour cela, un plan d’expériences est elaboré à base d’une matrice orthogonale Taguchi. Cinq facteurs sont inclus dans le modèle : la précharge, le nombre de passes, la vitesse d’avance, la stratégie de brunissage et la texture initiale de la surface préalablement usinée. Les résultats sont évalués en termes de texture finale, de contrainte résiduelle et de dureté, pour identifier et comprendre l’impact de ce procédé et des paramètres opératoires sur l’intégrité de surface, pour définir les meilleurs paramètres à appliquer pour chaque matériau, et pour évaluer les effets positifs provoqués par l’introduction de vibrations comme moyen d’assistance. Pour cela, la notion d’intégrité de surface est rappelée, voire redéfinie dans le cas de la texture de surface. En effet, les critères classiquement utilisés se révèlent inaptes à caractériser les surfaces obtenues, et une nouvelle méthodologie d’analyse des topologies de surface est proposée. Les résultats obtenus suite à la réalisation du plan d’expériences révèlent que la texture initiale est le paramètre prépondérant. Les résultats de la topologie de surface montrent que les vibrations peuvent améliorer la rugosité et la texture des surfaces dans la mesure où l’état de surface initial est sufisamment fin. Ensuite, seule la précharge et le nombre de passes influencent le résultat, avec, dans tous les cas, un couple de valeurs limites à partir desquelles les surfaces sont endommagées. Les résultats des contraintes résiduelles montrent que tous les paramètres influent sur le résultat final, en particulier la stratégie de brunissage, avec laquelle la direction préférentielle du tenseur de la contrainte superficielle peut être modifiée. Enfin, le brunissage montre une modification positive de la dureté à des couches d’environ 0,5 mm en appliquant le processus assisté avec vibrations. Nous concluons que les paramètres de processus optimaux sont diférents en fonction de l’objectif d’optimisation, et que certaines combinaisons peuvent être utiles en fonction de ces objectifs.Aquesta tesi és un estudi experimental que tracta sobre els efectes del procés de brunyit amb bola assistit per vibracions ultrasòniques sobre la integritat superficial de superfícies mecanitzades amb fresa hemisfèrica. Degut a la indisponiblitat d’eines comercials capaces d’aplicar aquest procés, l’estudi inclou en primer lloc el disseny i la caracterització d’un prototip capa d’executar-lo. Posteriorment, es realitza una anàlisi experimental aplicant el procés sobre superfícies de dues aliatges d’internes industrial i aeronàutic, AISI 1038 i Ti-6Al-4V, seguint un disseny d’experiments basat en una matriu ortogonal Taguchi. Per això, cinc factors són inclous en el model: la precàrrega, el nombre de passades, la velocitat d’avenç, l’estratègia de brunyit i la textura de la superfície inicial. Els resultats s’avaluen en termes de textura final, tensions residuals i duresa, per identificar i comprendre l’impacte d’aquest procés i dels seus paràmetres d’operació sobre la integritat superficial, definir els millors paràmetres a aplicar per a cada material, i amb l’objectiu d’avaluar els efectes positius provocats per la introducció de les vibracions com a mitjà d’assistència. Els resultats evidencien que la textura inicial és el paràmetre que defineix en major mesura l’estat de les superfícies finals. Els resultats de textura indiquen que les vibracions poden millorar en major mesura la rugositat i textura de les superfícies, sempre que aquestes siguin suficientment fines. A més, només la precàrrega i el nombre de passades influeixen sobre el resultat, trobant en tot cas un parell de valors límits a partir del qual les superfícies són empitjorades. Els resultats de tensions residuals mostren que tots els paràmetres són influents sobre el resultat final, especialment l’estratègia, amb la què es pot millorar la direcció preferencial del tensor de tensions superficial. Finalment, el brunyit demostra modificar la duresa positivament fins a capes d’aproximadament 0.5 mm de profunditat, aplicant el procés assistit amb vibracions. Es conclou que els paràmetres òptims de procés són diferents en funció de l’objectiu d’optimització, i es proposen algunes combinacions que poden ser útils en funció del mateix.Award-winningPostprint (published version

Study and characterisation of surface integrity modification after ultrasonic vibration-assisted ball burnishing

Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université Toulouse III Paul Sabatier. Aplicat embargament des de la data de defensa fins a gener de 2020Premi extraordinari doctorat UPC curs 2017-2018. Àmbit d’Enginyeria IndustrialThis dissertation is an experimental research project into the mechanical effects of the ultrasonic vibration-assisted ball burnishing process on the surface integrity of surfaces machined through ball-end milling. Due to the lack of commercial tools able to perform this process, the study includes firstly the design and characterization of a prototype to that effect. An experimental analysis is then undertaken, applying the process to AISI 1038 and Ti-6Al-4V surfaces of high industrial and aeronautical value. The experimental campaign is designed based on a Taguchi orthogonal array that includes five factors, namely: preload, number of passes, feed velocity, strategy and initial surface texture. Results are analyzed in terms of topological characteristics, residual stress and hardness, in order to identify and understand the impact of process parameters on surface integrity, to define the best parameters for performing the process and to assess the positive effects caused by the introduction of vibrations as a means of assistance. Results reveal that the initial texture is the most influential parameter on all outcomes. Texture results show that the vibrations can enhance the roughness and texture results, as long as they have sufficient low initial amplitude. Furthermore, only the preload and number of passes influence the results, with a pair of values being found in all cases that serve a threshold from which further plastic strain is detrimental for the final surface topology. In terms of residual stress, all parameters are influential in the results, especially the burnishing strategy, through which a certain component of the residual stress tensor can be adequately reinforced. Finally, the burnishing operation proves to modify the hardness of deep layers down to 0.5 mm, applying the vibration-assisted process. .e main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimization objective. Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired targetEsta tesis es un estudio experimental que versa sobre los efectos del proceso de bruñido con bola asistido por vibraciones ultrasónicas sobre la integridad superficial de superficies mecanizadas mediante fresa hemisférica. Dada la indisponibilidad de herramientas comerciales capaces de efectuar este proceso, el estudio incluye en primer lugar el diseño y caracterización de un prototipo a tal efecto. Posteriormente, se realiza un análisis experimental aplicando el proceso sobre superficies de dos aleaciones de interés industrial y aeronáutico, AISI 1038 y Ti-6Al-4V, siguiendo un diseño de experimentos fraccionario basado en una matriz ortogonal de Taguchi. Para ello, cinco factores son incluidos en el modelo, a saber: la precarga, el número de pasadas, la velocidad de avance, la estrategia de bruñido, y la textura de la superficie de partida. Los resultados se evalúan en términos de textura, tensiones residuales y dureza, para identificar y comprender el impacto de este proceso y de sus parámetros de operación sobre la integridad superficial, para definir los mejores parámetros a aplicar para cada material, y con el fin de evaluar los efectos positivos provocados por la introducción de las vibraciones como medio de asistencia. Los resultados revelan que la textura inicial es el parámetro que define en mayor medida el estado de las superficies finales. Los resultados de textura evidencian que las vibraciones pueden mejorar en mayor medida la topología de las superficies objetivo, siempre que éstas sean suficientemente finas. Además, sólo la precarga y el número de pasadas influyen en el resultado, encontrando en todo caso un par de valores limítrofe a partir del cual las superficies se ven dañadas. Los resultados de tensiones residuales muestran que todos los parámetros son influyentes en el resultado final, especialmente la estrategia de bruñido, con la que puede modificarse la dirección preferencial del tensor de tensiones superficial. Finalmente, el bruñido demuestra modificar la dureza positivamente hasta capas de aproximadamente 0,5 mm, aplicando el proceso asistido con vibraciones. Se concluye que los parámetros óptimos de proceso son diferentes en función del objetivo de optimización, y deben definirse en base a dos variables de partida: el material objetivo y la textura que éste presenta antes del proceso.Cette thèse étudie les effets du processus de brunissage à bille assisté par vibrations ultrasoniques sur l’intégrité surface des surfaces usinées par fraisage hémisphérique. Compte tenu de l’inexistence d’outils commerciaux capables de réaliser ce processus, l’étude débute par la conception et la caractérisation d’un prototype capable de l’exécuter. Par la suite, une analyse expérimentale est menée, en utilisant le procédé sur les surfaces de deux alliages d’intérêt industriel et aéronautique, AISI 1038 et Ti- 6Al-4V. Pour cela, un plan d’expériences est elaboré à base d’une matrice orthogonale Taguchi. Cinq facteurs sont inclus dans le modèle : la précharge, le nombre de passes, la vitesse d’avance, la stratégie de brunissage et la texture initiale de la surface préalablement usinée. Les résultats sont évalués en termes de texture finale, de contrainte résiduelle et de dureté, pour identifier et comprendre l’impact de ce procédé et des paramètres opératoires sur l’intégrité de surface, pour définir les meilleurs paramètres à appliquer pour chaque matériau, et pour évaluer les effets positifs provoqués par l’introduction de vibrations comme moyen d’assistance. Pour cela, la notion d’intégrité de surface est rappelée, voire redéfinie dans le cas de la texture de surface. En effet, les critères classiquement utilisés se révèlent inaptes à caractériser les surfaces obtenues, et une nouvelle méthodologie d’analyse des topologies de surface est proposée. Les résultats obtenus suite à la réalisation du plan d’expériences révèlent que la texture initiale est le paramètre prépondérant. Les résultats de la topologie de surface montrent que les vibrations peuvent améliorer la rugosité et la texture des surfaces dans la mesure où l’état de surface initial est sufisamment fin. Ensuite, seule la précharge et le nombre de passes influencent le résultat, avec, dans tous les cas, un couple de valeurs limites à partir desquelles les surfaces sont endommagées. Les résultats des contraintes résiduelles montrent que tous les paramètres influent sur le résultat final, en particulier la stratégie de brunissage, avec laquelle la direction préférentielle du tenseur de la contrainte superficielle peut être modifiée. Enfin, le brunissage montre une modification positive de la dureté à des couches d’environ 0,5 mm en appliquant le processus assisté avec vibrations. Nous concluons que les paramètres de processus optimaux sont diférents en fonction de l’objectif d’optimisation, et que certaines combinaisons peuvent être utiles en fonction de ces objectifs.Aquesta tesi és un estudi experimental que tracta sobre els efectes del procés de brunyit amb bola assistit per vibracions ultrasòniques sobre la integritat superficial de superfícies mecanitzades amb fresa hemisfèrica. Degut a la indisponiblitat d’eines comercials capaces d’aplicar aquest procés, l’estudi inclou en primer lloc el disseny i la caracterització d’un prototip capa d’executar-lo. Posteriorment, es realitza una anàlisi experimental aplicant el procés sobre superfícies de dues aliatges d’internes industrial i aeronàutic, AISI 1038 i Ti-6Al-4V, seguint un disseny d’experiments basat en una matriu ortogonal Taguchi. Per això, cinc factors són inclous en el model: la precàrrega, el nombre de passades, la velocitat d’avenç, l’estratègia de brunyit i la textura de la superfície inicial. Els resultats s’avaluen en termes de textura final, tensions residuals i duresa, per identificar i comprendre l’impacte d’aquest procés i dels seus paràmetres d’operació sobre la integritat superficial, definir els millors paràmetres a aplicar per a cada material, i amb l’objectiu d’avaluar els efectes positius provocats per la introducció de les vibracions com a mitjà d’assistència. Els resultats evidencien que la textura inicial és el paràmetre que defineix en major mesura l’estat de les superfícies finals. Els resultats de textura indiquen que les vibracions poden millorar en major mesura la rugositat i textura de les superfícies, sempre que aquestes siguin suficientment fines. A més, només la precàrrega i el nombre de passades influeixen sobre el resultat, trobant en tot cas un parell de valors límits a partir del qual les superfícies són empitjorades. Els resultats de tensions residuals mostren que tots els paràmetres són influents sobre el resultat final, especialment l’estratègia, amb la què es pot millorar la direcció preferencial del tensor de tensions superficial. Finalment, el brunyit demostra modificar la duresa positivament fins a capes d’aproximadament 0.5 mm de profunditat, aplicant el procés assistit amb vibracions. Es conclou que els paràmetres òptims de procés són diferents en funció de l’objectiu d’optimització, i es proposen algunes combinacions que poden ser útils en funció del mateix.Award-winningPostprint (published version

Optimisation of welding parameters to mitigate the effect of residual stress on the fatigue life of nozzle–shell welded joints in cylindrical pressure vessels.

Doctoral Degree. University of KwaZulu-Natal, Durban.The process of welding steel structures inadvertently causes residual stress as a result of thermal cycles that the material is subjected to. These welding-induced residual stresses have been shown to be responsible for a number of catastrophic failures in critical infrastructure installations such as pressure vessels, ship’s hulls, steel roof structures, and others. The present study examines the relationship between welding input parameters and the resultant residual stress, fatigue properties, weld bead geometry and mechanical properties of welded carbon steel pressure vessels. The study focuses on circumferential nozzle-to-shell welds, which have not been studied to this extent until now. A hybrid methodology including experimentation, numerical analysis, and mathematical modelling is employed to map out the relationship between welding input parameters and the output weld characteristics in order to further optimize the input parameters to produce an optimal welded joint whose stress and fatigue characteristics enhance service life of the welded structure. The results of a series of experiments performed show that the mechanical properties such as hardness are significantly affected by the welding process parameters and thereby affect the service life of a welded pressure vessel. The weld geometry is also affected by the input parameters of the welding process such that bead width and bead depth will vary depending on the parametric combination of input variables. The fatigue properties of a welded pressure vessel structure are affected by the residual stress conditions of the structure. The fractional factorial design technique shows that the welding current (I) and voltage (V) are statistically significant controlling parameters in the welding process. The results of the neutron diffraction (ND) tests reveal that there is a high concentration of residual stresses close to the weld centre-line. These stresses subside with increasing distance from the centre-line. The resultant hoop residual stress distribution shows that the hoop stresses are highly tensile close to the weld centre-line, decrease in magnitude as the distance from the weld centre-line increases, then decrease back to zero before changing direction to compressive further away from the weld centre-line. The hoop stress distribution profile on the flange side is similar to that of the pipe side around the circumferential weld, and the residual stress peak values are equal to or higher than the yield strength of the filler material. The weld specimens failed at the weld toe where the hoop stress was generally highly tensile in most of the welded specimens. The multiobjective genetic algorithm is successfully used to produce a set of optimal solutions that are in agreement with values obtained during experiments. The 3D finite element model produced using MSC Marc software is generally comparable to physical experimentation. The results obtained in the present study are in agreement with similar studies reported in the literature

Study on Parametric Optimization of Fused Deposition Modelling (FDM) Process

Rapid prototyping (RP) is a generic term for a number of technologies that enable fabrication of physical objects directly from CAD data sources. In contrast to classical methods of manufacturing such as milling and forging which are based on subtractive and formative principles espectively, these processes are based on additive principle for part fabrication. The biggest advantage of RP processes is that an entire 3-D (three-dimensional) consolidated assembly can be fabricated in a single setup without any tooling or human intervention; further, the part fabrication methodology is independent of the mplexity of the part geometry. Due to several advantages, RP has attracted the considerable attention of manufacturing industries to meet the customer demands for incorporating continuous and rapid changes in manufacturing in shortest possible time and gain edge over competitors. Out of all commercially available RP processes, fused deposition modelling (FDM) uses heated thermoplastic filament which are extruded from the tip of nozzle in a prescribed manner in a temperature controlled environment for building the part through a layer by layer deposition method. Simplicity of operation together with the ability to fabricate parts with locally controlled properties resulted in its wide spread application not only for prototyping but also for making functional parts. However, FDM process has its own demerits related with accuracy, surface finish, strength etc. Hence, it is absolutely necessary to understand the shortcomings of the process and identify the controllable factors for improvement of part quality. In this direction, present study focuses on the improvement of part build methodology by properly controlling the process parameters. The thesis deals with various part quality measures such as improvement in dimensional accuracy, minimization of surface roughness, and improvement in mechanical properties measured in terms of tensile, compressive, flexural, impact strength and sliding wear. The understanding generated in this work not only explain the complex build mechanism but also present in detail the influence of processing parameters such as layer thickness, orientation, raster angle, raster width and air gap on studied responses with the help of statistically validated models, microphotographs and non-traditional optimization methods. For improving dimensional accuracy of the part, Taguchi‟s experimental design is adopted and it is found that measured dimension is oversized along the thickness direction and undersized along the length, width and diameter of the hole. It is observed that different factors and interactions control the part dimensions along different directions. Shrinkage of semi molten material extruding out from deposition nozzle is the major cause of part dimension reduction. The oversized dimension is attributed to uneven layer surfaces generation and slicing constraints. For recommending optimal factor setting for improving overall dimension of the part, grey Taguchi method is used. Prediction models based on artificial neural network and fuzzy inference principle are also proposed and compared with Taguchi predictive model. The model based on fuzzy inference system shows better prediction capability in comparison to artificial neural network model. In order to minimize the surface roughness, a process improvement strategy through effective control of process parameters based on central composite design (CCD) is employed. Empirical models relating response and process parameters are developed. The validity of the models is established using analysis of variance (ANOVA) and residual analysis. Experimental results indicate that process parameters and their interactions are different for minimization of roughness in different surfaces. The surface roughness responses along three surfaces are combined into a single response known as multi-response performance index (MPI) using principal component analysis. Bacterial foraging optimisation algorithm (BFOA), a latest evolutionary approach, has been adopted to find out best process parameter setting which maximizes MPI. Assessment of process parameters on mechanical properties viz. tensile, flexural, impact and compressive strength of part fabricated using FDM technology is done using CCD. The effect of each process parameter on mechanical property is analyzed. The major reason for weak strength is attributed to distortion within or between the layers. In actual practice, the parts are subjected to various types of loadings and it is necessary that the fabricated part must withhold more than one type of loading simultaneously.To address this issue, all the studied strengths are combined into a single response known as composite desirability and then optimum parameter setting which will maximize composite desirability is determined using quantum behaved particle swarm optimization (QPSO). Resistance to wear is an important consideration for enhancing service life of functional parts. Hence, present work also focuses on extensive study to understand the effect of process parameters on the sliding wear of test specimen. The study not only provides insight into complex dependency of wear on process parameters but also develop a statistically validated predictive equation. The equation can be used by the process planner for accurate wear prediction in practice. Finally, comparative evaluation of two swarm based optimization methods such as QPSO and BFOA are also presented. It is shown that BFOA, because of its biologically motivated structure, has better exploration and exploitation ability but require more time for convergence as compared to QPSO. The methodology adopted in this study is quite general and can be used for other related or allied processes, especially in multi input, multi output systems. The proposed study can be used by industries like aerospace, automobile and medical for identifying the process capability and further improvement in FDM process or developing new processes based on similar principle

Development of a machine-tooling-process integrated approach for abrasive flow machining (AFM) of difficult-to-machine materials with application to oil and gas exploration componenets

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Engineering and awarded by Brunel UniversityAbrasive flow machining (AFM) is a non-traditional manufacturing technology used to expose a substrate to pressurised multiphase slurry, comprised of superabrasive grit suspended in a viscous, typically polymeric carrier. Extended exposure to the slurry causes material removal, where the quantity of removal is subject to complex interactions within over 40 variables. Flow is contained within boundary walls, complex in form, causing physical phenomena to alter the behaviour of the media. In setting factors and levels prior to this research, engineers had two options; embark upon a wasteful, inefficient and poor-capability trial and error process or they could attempt to relate the findings they achieve in simple geometry to complex geometry through a series of transformations, providing information that could be applied over and over. By condensing process variables into appropriate study groups, it becomes possible to quantify output while manipulating only a handful of variables. Those that remain un-manipulated are integral to the factors identified. Through factorial and response surface methodology experiment designs, data is obtained and interrogated, before feeding into a simulated replica of a simple system. Correlation with physical phenomena is sought, to identify flow conditions that drive material removal location and magnitude. This correlation is then applied to complex geometry with relative success. It is found that prediction of viscosity through computational fluid dynamics can be used to estimate as much as 94% of the edge-rounding effect on final complex geometry. Surface finish prediction is lower (~75%), but provides significant relationship to warrant further investigation. Original contributions made in this doctoral thesis include; 1) A method of utilising computational fluid dynamics (CFD) to derive a suitable process model for the productive and reproducible control of the AFM process, including identification of core physical phenomena responsible for driving erosion, 2) Comprehensive understanding of effects of B4C-loaded polydimethylsiloxane variants used to process Ti6Al4V in the AFM process, including prediction equations containing numerically-verified second order interactions (factors for grit size, grain fraction and modifier concentration), 3) Equivalent understanding of machine factors providing energy input, studying velocity, temperature and quantity. Verified predictions are made from data collected in Ti6Al4V substrate material using response surface methodology, 4) Holistic method to translating process data in control-geometry to an arbitrary geometry for industrial gain, extending to a framework for collecting new data and integrating into current knowledge, and 5) Application of methodology using research-derived CFD, applied to complex geometry proven by measured process output. As a result of this project, four publications have been made to-date – two peer-reviewed journal papers and two peer-reviewed international conference papers. Further publications will be made from June 2014 onwards.Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) and the Technology Strategy Board (TSB

Outils d'aide à l'optimisation des campagnes d'essais non destructifs sur ouvrages en béton armé

Non-destructive testing methods (NDT) are essential for estimating concrete properties (mechanical or physical) and their spatial variability. They also constitute an useful tool to reduce the budget auscultation of a structure. The proposed approach is included in an ANR project (EvaDéOS) whose objective is to optimize the monitoring of civil engineering structures by implementing preventive maintenance to reduce diagnosis costs. In this thesis, the objective was to characterize at best a peculiar property of concrete (e.g. mechanical strength, porosity, degree of saturation, etc.), with technical ND sensitive to the same properties. For this aim, it is imperative to develop objective tools that allow to rationalize a test campaign on reinforced concrete structures. For this purpose, first, it is proposed an optimal spatial sampling tool to reduce the number of auscultation points. The most commonly used algorithm is the spatial simulated annealing (SSA). This procedure is regularly used in geostatistical applications, and in other areas, but yet almost unexploited for civil engineering structures. In the thesis work, an original optimizing spatial sampling method (OSSM) inspired in the SSA and based on the spatial correlation was developed and tested in the case of on-site auscultation with two complementary fitness functions: mean prediction error and the error on the estimation of the global variability. This method is divided into three parts. First, the spatial correlation of ND measurements is modeled by a variogram. Then, the relationship between the number of measurements organized in a regular grid and the objective function is determined using a spatial interpolation method called kriging. Finally, the OSSM algorithm is used to minimize the objective function by changing the positions of a smaller number of ND measurements and for obtaining at the end an optimal irregular grid. Destructive testing (DT) are needed to corroborate the information obtained by the ND measurements. Because of the cost and possible damage to the structure, an optimal sampling plan to collect a limited number of cores is important. For this aim, a procedure using data fusion based on the theory of possibilities and previously developed is used to estimate the properties of concrete from the ND. Through a readjustment bias requiring DTs performed on carrots, it is calibrated. Knowing that there is uncertainty about the results of DTs performed on carrots, it is proposed to take into account this uncertainty and propagate it through the calibration on the results of the fused data. By propagating this uncertainty, it is obtained mean fused values with a standard deviation. One can thus provide a methodology for positioning and minimizing the number of cores required to auscultate a structure by two methods: first, using the OSSM for the results of fused properties values in each measuring point and the second by the minimization of the average standard deviation over all of the fused points obtained after the propagation of DTs uncertainties. Finally, in order to propose an alternative to the possibility theory, neural networks are also tested as alternative methods for their relevance and usability.Les méthodes de contrôle non destructif (CND) sont essentielles pour estimer les propriétés du béton (mécaniques ou physiques) et leur variabilité spatiale. Elles constituent également un outil pertinent pour réduire le budget d'auscultation d'un ouvrage d'art. La démarche proposée est incluse dans un projet ANR (EvaDéOS) dont l'objectif est d'optimiser le suivi des ouvrages de génie civil en mettant en œuvre une maintenance préventive afin de réduire les coûts. Dans le cas du travail de thèse réalisé, pour caractériser au mieux une propriété particulière du béton (ex : résistance mécanique, porosité, degré de Saturation, etc.), avec des méthodes ND sensibles aux mêmes propriétés, il est impératif de développer des outils objectifs permettant de rationaliser une campagne d'essais sur les ouvrages en béton armé. Dans ce but, premièrement, il est proposé un outil d'échantillonnage spatial optimal pour réduire le nombre de points d'auscultation. L'algorithme le plus couramment employé est le recuit simulé spatial (RSS). Cette procédure est régulièrement utilisée dans des applications géostatistiques, et dans d'autres domaines, mais elle est pour l'instant quasiment inexploitée pour des structures de génie civil. Dans le travail de thèse, une optimisation de la méthode d'optimisation de l'échantillonnage spatial (MOES) originale inspirée du RSS et fondée sur la corrélation spatiale a été développée et testée dans le cas d'essais sur site avec deux fonctions objectifs complémentaires : l'erreur de prédiction moyenne et l'erreur sur l'estimation de la variabilité. Cette méthode est décomposée en trois parties. Tout d'abord, la corrélation spatiale des mesures ND est modélisée par un variogramme. Ensuite, la relation entre le nombre de mesures organisées dans une grille régulière et la fonction objectif est déterminée en utilisant une méthode d'interpolation spatiale appelée krigeage. Enfin, on utilise l'algorithme MOES pour minimiser la fonction objectif en changeant les positions d'un nombre réduit de mesures ND et pour obtenir à la fin une grille irrégulière optimale. Des essais destructifs (ED) sont nécessaires pour corroborer les informations obtenues par les mesures ND. En raison du coût ainsi que des dégâts possibles sur la structure, un plan d'échantillonnage optimal afin de prélever un nombre limité de carottes est important. Pour ce faire, une procédure utilisant la fusion des données fondée sur la théorie des possibilités et développée antérieurement, permet d'estimer les propriétés du béton à partir des ND. Par le biais d'un recalage nécessitant des ED réalisés sur carottes, elle est étalonnée. En sachant qu'il y a une incertitude sur le résultat des ED réalisés sur les carottes, il est proposé de prendre en compte cette incertitude et de la propager au travers du recalage sur les résultats des données fusionnées. En propageant ces incertitudes, on obtient des valeurs fusionnées moyennes par point avec un écart-type. On peut donc proposer une méthodologie de positionnement et de minimisation du nombre des carottes nécessaire pour ausculter une structure par deux méthodes : la première, en utilisant le MOES pour les résultats des propriétés sortis de la fusion dans chaque point de mesure et la seconde par la minimisation de l'écart-type moyen sur la totalité des points fusionnés, obtenu après la propagation des incertitudes des ED. Pour finir, afin de proposer une alternative à la théorie des possibilités, les réseaux de neurones sont également testés comme méthodes alternatives pour leur pertinence et leur simplicité d'utilisation