A decoupling method is proposed for the elastic stiffness modeling of hybrid robots based on the rigidity principle, screw theory, strain energy, and Castigliano’s second theorem. It enables the decoupling of parallel and serial modules, as well as the individual contributions of each elastic component to the mechanism’s stiffness performance. The method is implemented as follows: (1) formulate limb constraint wrenches and corresponding limb stiffness matrix based on the screw theory and strain energy, (2) formulate the overall stiffness matrix of parallel and serial modules corresponding to end of the hybrid robots based on the rigidity principle, principle of virtual work, the wrench transfer formula, and strain energy methods, and (3) obtain and decouple the overall stiffness matrix and deflection of the robot based on the Castigliano’s second theorem. Finally, A planar hybrid structure and the 4SRRR + 6R hybrid robot are used as illustrative examples to implement the proposed method. The results indicate that selectively enhancing the stiffness performance of the mechanism is the most effective approach.

This work presents a new method to minimize artificial stiffness in linear tetrahedral element using virtual mesh refinement (VRM) method. The basic idea behind this work is to give additional degree of freedom by using internal mesh over the linear tetrahedral element. This local internal mesh and its corresponding equilibrium condition under particular boundary condition are invisible to users or virtual. Using specialized displacement test vectors, strain energy is obtained and used to calculate reduction factor for artificial stiffness. Numerical experiments are performed at the end to briefly qualitatively show performance of our proposed method.

The basic mechanism of reinforcement in tendons addresses the transfer of stress, generated by the deforming proteoglycan (PG)-rich matrix, to the collagen fibrils. Regulating this mechanism involves the interactions of PGs on the fibril with those in the surrounding matrix and between PGs on adjacent fibrils. This understanding is key to establishing new insights on the biomechanics of tendon in various research domains. However, the experimental designs in many studies often involved long sample preparation time. To minimise biological degradation the tendons are usually stored by freezing. Here, we have investigated the effects of commonly used frozen storage temperatures on the mechanical properties of tendons from the tail of a murine model (C57BL6 mouse). Fresh (unfrozen) and thawed samples, frozen at temperatures of −20°C and −80°C, respectively, were stretched to rupture. Freezing at −20°C revealed no effect on the maximum stress (σ), stiffness (E), the corresponding strain (ε) at σ and strain energy densities up to ε (u) and from ε until complete rupture (up). On the other hand, freezing at −80°C led to higher σ, E and u; ε and up were unaffected. The results implicate changes in the long-range order of radially packed collagen molecules in fibrils, resulting in fibril rupture at higher stresses, and changes to the composition of extrafibrillar matrix, resulting in an increase in the interaction energy between fibrils via collagen-bound PGs.

Dans le cadre de la simulation des systèmes de freinage, la mise en évidence de phénomènes tels que le crissement fait appel à des méthodes spécifiques. On s'intéressera ici à l'analyse de stabilité par le calcul des pulsations et modes propres.L'utilisation de dispositifs amortissants "shims" pour la réduction du bruit de crissement implique que les simulations prennent en compte les effets amortissants des matériaux. On utilise pour cela des modèles de matériaux viscoélastiques et en particulier le modèle de Maxwell généralisé.Les travaux ont consisté à choisir et valider des outils (modèles viscoélastiques, formulations éléments finis, ...) et à mettre en place une méthode de simulation. Ils se sont divisés en plusieurs étapes.Dans un premier temps, il a fallu sélectionner, parmi plusieurs modèles mathématiques permettant de décrire la viscoélasticité, le plus adapté à la modélisation de l'amortissement dans les systèmes de freinage. On a étudié les modèles à module complexe, de Kelvin-Voigt et de Maxwell généralisé.Dans un second temps, il a fallu trouver une formulation du problème éléments finis adaptée à l'analyse modale. On a alors utilisé une formulation en modèle d'état. Une hypothèse importante concernant l'égalité des pôles du modèle de Maxwell a permis de limiter la taille du modèle tout en simplifiant sa formulation.Enfin, les méthodes mises en place ont été appliquées à une plaquette de frein dans un premier temps et à un frein complet ensuite. Des analyses paramétriques sur le nombre de modes de projection et l'ordre des modèles de Maxwell ont été menées sur ces deux cas test.Dans le cas de la plaquette de frein, on a effectué une analyse modale complexe en prenant en compte la viscoélasticité du matériau de friction. L'objectif était d'obtenir un recalage de la plaquette, en terme de fréquences et d'amortissements, par rapport à une mesure FRF. Dans le cas du modèle de frein complet, on a effectué une analyse modale complexe en prenant en compte la viscoélasticité des matériaux de friction et du "shim".Le modèle de frein a également servi de support à la mise en évidence du lien entre la répartition de l'énergie de déformation dans le frein et l'amortissement observé par analyse modale complexe.Pour conclure, on a développé une méthode de simulation utilisant Abaqus®, Matlab® pour la phase d'analyse modale complexe avec effets viscoélastiques et Python pour l'interfaçage entre Abaqus® et Matlab®. Cette méthode permet de traiter des problèmes d'analyse de stabilité avec la prise en compte de plusieurs matériaux viscoélastiques, sur des modèles de grande dimension, sans surcoût en terme de temps de calcul.