identifier: Moayeri, A. (2015). Development of Graphene-Based Polymer Nanocomposites for Electrical Conductors and Supercapacitors  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'électrofilage est une méthode pratique et avantageuse pour obtenir des nanofibres de polymères avec des diamètres contrôlés de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres. Les mats de fibres non-tissées résultants ont des surfaces spécifiques élevées de l'ordre de 1 à 100 m2/g. La combinaison de ces propriétés avec la conductivité électrique intrinsèquement élevée de certains polymères conducteurs donne lieu à des mats de fibres conducteurs qui sont très prometteurs pour diverses applications dans divers domaines dont : l'électronique, le magnétique, le biomédical, mais encore des applications en optique et dans le domaine des capteurs. Une nouvelle classe de polymère connue sous le nom de polymères intrinsèquement conducteurs (PIC) a été découverte en 1960. Les PIC sont de nature intrinsèquement conducteurs en raison de la présence d'un système d'électrons π conjugué dans leur structure. Les PIC possèdent des bonnes propriétés électroniques, des faibles potentiels d'ionisation et une électroaffinité élevée. La polyaniline (PANi) est l'un des PIC les plus étudiés. Elle est unique en raison de la facilité de sa synthèse, de sa stabilité environnementale et de la simplicité de sa chimie de dopage/dédopage. En revanche, elle est relativement difficile à mettre en forme par rapport à la plupart des autres polymères conventionnels, ce qui est typique des PIC. En effet, la polyaniline a un squelette assez rigide en raison de son aromaticité élevée. Ainsi, l'élasticité des solutions de PANi est généralement insuffisante pour qu'elles puissent être électrofilées pour en faire des nanofibres. En outre, la PANi a une mauvaise solubilité dans la plupart des solvants communs, ce qui rend son électrofilabilité encore plus difficile. Cependant, si les limitations de solubilité et de rigidité suscitées pouvaient être résolues, la PANi pourrait être électrofilée en mats de fibres conductrices pouvant être utilisés dans une large gamme d'applications telles que les capteurs chimio-résistants, les surfaces hydrophobes réversibles et les substrats pour la fonctionnalisation. Le but ultime de la première partie de cette thèse est de préparer des nanofibres de PANi électrofilées avec du graphène intégré pour une utilisation potentielle comme capteurs pour la détection de gaz et de pathogènes. À cette fin, deux stratégies ont été utilisées pour obtenir les nanofibres électrofilées de PANi: Mélanger de la PANi dopée avec des polymères isolants et facilement électrofilables comme le poly(oxyde d'éthylène) ou PEO. Cependant, la présence du polymère isolant réduit la conductivité des fibres en raison de la diminution des composés conducteurs dans le mélange. Une bonne stratégie pour compenser l'addition du polymère isolant et améliorer les propriétés électriques globales des fibres électrofilées, est d'y incorporer des nanocharges conductrices à base de carbone. À cet effet, le graphène a été sélectionné. Depuis sa découverte en 2004, le graphène a suscité un intérêt considérable en recherche. Il est constitué d'un simple feuillet d'une seule épaisseur en deux dimensions, lui-même composé d'atomes de carbone organisés en une structure cristalline en nid d'abeilles. Il possède une surface, une résistance ainsi qu'une conductivité thermique et électrique exceptionnellement élevées. Par conséquent, compte tenu des excellentes propriétés du graphène et de la PANi, des nanofibres de PANi contenant des nanocharges de graphène comme agent de remplissage peuvent être obtenues. Ainsi, des nanofibres conductrices de PANi dopée avec de l'acide camphre-10-sulfonique (ACS), mélangée à du PEO et remplie avec du graphène fonctionnalisé ester succinimidyle de l'acide 1-pyrènebutanoïque ou (G-PBASE) ont été préparées par électrofilage. La microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie électronique à transmission (MET), la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS), laspectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et l'analyse thermogravimétrique (TGA) ont été utilisées pour caractériser la morphologie des fibres de PANi/PEO/G-PBASE ainsi que leurs propriétés. Les observations montrent que les fibres électrofilées sont fortement interconnectées et possèdent une surface relativement lisse. Le diamètre moyen des fibres est d'environ 220 nm. La conductivité électrique des fibres de PANi/PEO et PANi/PEO/G-PBASE à température ambiante a également été étudiée. Les fibres composites nanostructurées PANi/PEO/G-PBASE avec une faible charge de G-PBASE (5 % en poids par rapport à la PANi) a montré une augmentation de la conductivité électrique de deux ordres de grandeur et une amélioration d'un ordre de grandeur de la stabilité thermique en comparaison avec les nanofibres de PANi/PEO. Utiliser la technique d'électrofilage coaxial pour préparer des nanofibres structurées en coeur-enveloppe avec la PANi au centre de la fibre et un polymère facilement électrofilable tel que le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Par la suite, l'enveloppe externe a été retirée par extraction-solvant pour obtenir des nanofibres de PANi pures. La méthode d'électrofilage coaxial constitue une alternative et un moyen efficace pour l'obtention de fibres de polymères non-électrofilables. Dans cette technique, deux solutions différentes sont électrofilées simultanément à travers une filière composée de deux capillaires coaxiaux pour produire des nanofibres structurées en coeur-enveloppe avec le polymère non-électrofilable au centre de la fibre. Par conséquent, des nanofibres coeur-enveloppe de PANi/PMMA contenant du G-PBASE sont préparées par électrofilage coaxial, avec la PANi et le G-PBASE étant au coeur des fibres et le PMMA l'enveloppe externe, respectivement. Les nanofibres de PANi/G-PBASE/PMMA obtenues possèdent des diamètres de ~420 nm. En outre, des nanofibres de pure PANi et de PANi/G-PBASE ont été obtenues par extraction-solvant de l'enveloppe de PMMA, ce qui a réduit le diamètre des fibres à 230 nm. La morphologie des nanofibres a été analysée par MEB et MET. La structure coeur-enveloppe et l'existence de feuillets de graphène dans la couche centrale des fibres ont été confirmées par les images en MET, obtenues avant et après extraction-solvant du PMMA. La conductivité électrique des fibres obtenues à température ambiante a été étudiée par la méthode de la sonde à quatre points. Les nanofibres de PANi/G-PBASE ont montré une conductivité électrique de 30,25 S/cm, laquelle est trois fois plus élevée que celle des nanofibres de PANi pure. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous investiguons l'ajout de graphène à du polyacrylonitrile (PAN) renforcé par des nanofibres de carbone (NFC). L'objectif étant d'améliorer la surface spécifique et la capacitance des fibres obtenues, en vue d'applications où une densité de haute énergie est requise, tel que dans les supercondensateurs. Récemment, beaucoup de recherches ont été menées sur des matériaux à base de PAN et NFC pour des applications de stockage d'énergie. Cependant, la faible conductivité et densité de puissance des NFC représentent un obstacle à leur utilisation potentielle dans les supercondensateurs. Par conséquent, dans cette étude, des NFC électrofilées en structure coeur-enveloppe et additionnées de différentes quantités de graphène fonctionnalisé de façon non covalente ont été préparées. La technique employée à cet effet est l'électrofilage à une seule buse en utilisant une solution biphasée de polyacrylonitrile et de polyvinylpyrrolidone (PAN/PVP), avec comme solvant du N,N-diméthylformamide (DMF). La concentration en graphène varie de 0% à 15% en poids (par rapport au PAN). Les nanofibres électrofilées structurées en coeur-enveloppe ont d'abord été stabilisées à 250 °C dans l'air puis, par la suite carbonisées à 850 °C dans une atmosphère sous azote pour produire les NFC. Les fibres ultra-minces résultantes ont des diamètres moyens de l'ordre de 60 à 80 nm. La morphologie et la microstructure des nanofibres ont été caractérisées par SEM, TEM, spectroscopie Raman, XPS et BET pour l'adsorption d'azote à 77 K. Après incorporation des nanofeuillets de graphène, les résultats ont montré une augmentation de la surface spécifique et du volume des pores des mats de fibres allant jusqu'à 627 m2 g-1 et 0,35 cm3 g-1, respectivement. La performance électrochimique des nanocomposites NFC/graphène a été étudiée dans une solution de KOH (6M). Les analyses électrochimiques de ces mêmes nanofibres révèlent une capacitance spécifique maximale de 265 F g-1, après ajout de 10% en poids de nanofeuillets de graphène.  ABSTRACT: Electrospinning is a convenient method to produce polymer nanofibers with controlled diameters on the order of tens of nanometers to micrometers. The resulting non-woven fiber mats have high specific surface areas of around 1−100 m2/g. Combining these properties with the high electrical conductivity of intrinsically conductive polymers yields conductive electrospun fiber mats that are very promising for a variety of applications such as electronic, magnetic, biomedical, sensor and optical fields. A new class of polymer known as intrinsically conducting polymers (ICPs) were discovered in 1960. ICPs are intrinsically conducting in nature due to the presence of a conjugated π electron system in their structure. ICPs possess electronic properties, low ionization potentials and a high electroaffinity. Polyaniline (PANi) is one of the most studied ICPs and it is unique due to its ease of synthesis, environmental stability, and simple doping/dedoping chemistry, yet it is relatively hard to process compared to most other polymers. As is common among ICPs, it has a fairly rigid backbone due to its high aromaticity. Thus, the elasticity of its solutions is generally insufficient for it to be electrospun directly into fibers. Moreover, PANi has poor solubility in common solvents, which further complicates it electrospinnability. However, if aforementioned processing limitations of PANi can addressed and it can be electrospun into conductive fiber mats, it can be used for a variety of applications such as chemoresistive sensors, reversible hydrophobic surfaces and substrates for functionalization. The ultimate purpose of first part of this thesis is to fabricate electrospun PANi nanofibers embedded with graphene for potential sensor applications such as gas and pathogen detection. To this end, two strategies were utilized to electrospin PANi nanofibers: 1) Blending doped-PANi with insulating polymers which are easily electrospinnable such as polyethylene oxide (PEO). However, the presence of the insulator polymer will decrease the fibers conductivity due to a reduction of the conducting component in the blend and a good strategy to compensate for the addition of insulating polymer and to improve the overall electrical properties of the electrospun fibers blend is to incorporate carbon-based conductive nanofillers into the fibers and in this work graphene was selected. Since the discovery of graphene in 2004, it has attracted tremendous research interest. Graphene is a single-atom-thick, two-dimensional sheet of sp2-hybrized carbon atoms arranged in a honeycomb crystal structure with exceptionally high strength, surface area, thermal conductivity, and electronic conductivity. Therefore, considering the excellent properties of graphene and PANi, highly conductive PANi nanofibers with graphene as nanofiller can be obtained. To this end, conducting nanofibers of PANi doped with camphor-10-sulfonic acid (HCSA), blended with PEO, and filled with 1-pyrenebutanoic acid, succinimidyl ester functionalized graphene (G-PBASE) have been fabricated using electrospinning. Scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fourier transforms infrared (FTIR) and thermal gravimetric analyzer (TGA) were utilized to characterize the PANi/PEO/G-PBASE fibers morphology and properties. The observations show that electrospun fibers are highly interconnected and possess a relatively smooth surface. The average diameter of fibers was ~ 220 nm. The electrical conductivity of PANi/PEO and PANi/PEO/G-PBASE at room temperature was also studied. The unique nanostructured composite of PANi/PEO/G-PBASE with small loading of G-PBASE (5 wt.% relative to PANi) showed two order of magnitude enhancement in the electrical conductivity and one order of magnitude enhancement in thermal stability in comparison to PANi/PEO nanofibers. 2) Utilizing coaxial electrospinning technique to produce core−shell structured nanofiber with PANi at the core layer and an easily electrospinnable polymer such as poly(methyl methacrylate) (PMMA) at shell segment. Subsequently, the shell segment was removed by solvent etching to produce pure PANi nanofibers. The coaxial electrospinning method provides an alternative and effective way for fabrication of unspinnable polymer with unique core−shell structured fibers. In this technique, two dissimilar solutions are spun simultaneously through a spinneret composed of two coaxial capillaries to produce core−shell structured nanofibers with unspinable polymer at the core section. Therefore, Core−shell structured PANi/PMMA nanofibers embedded with G-PBASE are produced by a coaxial electrospinning setup. PANi/G-PBASE and PMMA solutions were used as core and shell layer respectively. The as-prepared PANi/G-PBASE/PMMA nanofibers possessed diameters in the range of ~420 nm. Moreover, neat PANi/G-PBASE and PANi nanofibers were obtained by solvent etching of PMMA shell which reduced the fiber diameter to 230 nm. The morphology of the nanofibers was investigated by SEM and TEM. The core−shell structure and the existence of graphene sheets in the core layer were confirmed by TEM images obtained before and after solvent etching of PMMA. The electrical conductivity of the fibers at room temperature was investigated by four-point probe method. The PANi/G-PBASE nanofibers exhibited electrical conductivity as high as of 30.25 S/cm which was 3 times higher than that of neat PANi nanofibers. The second part of this thesis investigates the addition of graphene to polyacrylonitrile (PAN)-based carbon nanofibers (CNFs) in order to improve their surface area and capacitance for applications where high-energy density is required such as in supercapacitors. Recently, a lot of research has been conducted on PAN-based CNFs for energy storage applications. However, CNFs low conductivity and power density is an obstacle for their potential application in supercapacitors. Therefore, in this study core–shell structured CNFs embedded with various amounts of non-covalently functionalized graphene were fabricated by single-nozzle electrospinning technique using phase-separated solution of polyacrylonitrile and polyvinylpyrrolidone (PAN/PVP) in N,N-dimethylformamide (DMF). The concentration of graphene varied from 0 wt% to 15 wt% (relative to PAN). These core-shell structured electrospun nanofibers were first stabilized at 250 °C in air and consecutively carbonized at 850 °C in nitrogen atmosphere to produce CNFs. The resulting ultra-fine fibers have average fiber diameters in the range of 60-80 nm. The morphology and microstructure of the nanofibers were characterized by SEM, TEM, Raman spectroscopy, XPS and BET nitrogen adsorption at 77 K. The result showed that the specific surface area and pore volume of nanofiber mats increased to 627 m2 g−1 and 0.35 cm3 g−1 respectively by embedding graphene nanosheets. The electrochemical performance of as-synthesized CNF/G nanocomposites was investigated in 6M KOH electrolyte by cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge. Electrochemical measurements of CNF/G nanofibers exhibited a maximum specific capacitance of 265 F g−1 after addition of 10 wt% graphene nanosheets.


identifier: Liang, M. (2015). New Developments in Covariance Modeling and Coregionalization for the Study and Simulation of Natural Phenomena  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La géostatistique s'intéresse à la modélisation des phénomènes naturels par des champs aléatoires univariables ou multivariables. La plupart des applications utilisent un modèle stationnaire pour représenter le phénomène étudié. Il est maintenant reconnu que ce modèle n'est pas assez flexible pour représenter adéquatement un phénomène naturel montrant des comportements qui varient considérablement dans l'espace (un exemple simple de cette hétérogénéité est le problème de l'estimation de l'épaisseur du mort-terrain en présence d'affleurements). Pour le cas univariable, quelques modèles non-stationnaires ont été développés récemment. Toutefois, ces modèles n'ont pas un support compact, ce qui limite leur domaine d'application. Il y a un réel besoin d'enrichir la classe des modèles non-stationnaires univariable, le premier objectif poursuivi par cette thèse.  ABSTRACT: Geostatistics focus on modeling natural phenomena by univariate or multivariate spatial random fields. Most applications rely on the choice of a stationary model to represent the studied phenomenon. It is now acknowledged that this model is not flexible enough to adequately represent a natural phenomenon showing behaviors that vary substantially in space (a simple example of such heterogeneity is the problem of estimating overburden thickness in the presence of outcrops). For the univariate case, a few non-stationary models were developed recently. However, these models do not have compact support, which limits in practice their range of application. There is a definite need to enlarge the class of univariate non-stationary models, a first goal pursued by this thesis.


identifier: Digoin, G. (2015). Réputation des entreprises à l'heure des données non structurées à haute fréquence  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La réputation a toujours été un des actifs les plus importants d'une entreprise. Dans un monde de plus en plus connecté, et dans lequel l'information circule très vite et touche un très grand nombre de personnes, elle est souvent soumise à rude épreuve. Cet impact grandissant des réseaux sociaux représente donc une nouvelle menace pour les entreprises et leur réputation.  Mais les données non structurées issues des réseaux sociaux représentent aussi de vraies opportunités d'estimation et de contrôle de la réputation en temps réel. Twitter ou Facebook par exemple, sont chaque jour le théâtre de nombreuses discussions et polémiques autour des entreprises. La masse d'informations ainsi créée peut être utilisée pour approximer les mouvements de réputation d'une entreprise. La réputation est en continuel mouvement. Pourtant, les organismes spécialisés qui proposent des mesures de la réputation, comme l'Institut de la Réputation ou Fortune Magazine, ne fournissent que des estimations annuelles de la réputation des entreprises multinationales. Les données non structurées issues des réseaux sociaux apparaissent comme les plus à même de fournir des informations en temps réel.  À travers cette recherche, nous avons créé un outil d'analyse qui permette de mesurer en temps réel la réputation d'une entreprise sous 9 clés: (1) l'innovation, (2) la gestion des individus, (3) la responsabilité sociale et environnementale, (4) les investissements à long-terme, (5) la compétitivité, (6) l'utilisation des actifs, (7) la solidité financière, (8) la qualité de l'exécutif et (9) la qualité des produits et services) et de fournir un score de réputation en utilisant les données non structurées et à haute fréquence issues du réseau social Twitter. Nous avons appliqué cet outil à tous les messages publiés sur Twitter concernant les entreprises du S&P500 sur une période de 5 mois. L'utilisation d'un modèle de logit ordonné a permis de montrer que l'outil valide l'hypothèse mise en avant dans la littérature de corrélation positive entre la réputation d'une entreprise et son cours de bourse (Chun 2005). Les résultats montrent que cet impact n'est toutefois pas direct et qu'un délai de quelques heures à quelques jours, dépendamment de la clé de réputation analysée, est nécessaire pour voir apparaître les conséquences d'un mouvement de la réputation sur le cours en bourse d'une entreprise. À partir de ces analyses, des stratégies d'investissements sur les marchés boursiers ont été proposées, permettant d'optimiser les opportunités de gain en fonction des jours de la semaine et des types d'industries visés au travers des 9 clés de la réputation.  Nous avons aussi appliqué notre outil d'analyse de la réputation à deux cas particuliers : (1) la sortie de l'Apple Watch et (2) le scandale Volkswagen. Les résultats issus de ces deux études mettent en évidence les délais de répercussion d'une variation de la réputation sur le cours de bourse d'une entreprise. Ces études de cas montrent qu'il est possible pour une entreprise multinationale de suivre sa réputation en temps réel à condition que le nombre de tweets la concernant soit suffisamment grand.  ABSTRACT: Reputation has always been one of the most important assets of a company. However, it can also be regarded as a very delicate one that can change from one state to the other in a very short timelapse. It is especially true in our ever-growing connected world, in which information flows very fast and affects a lot of people. This growing impact thus represents new threats for corporate reputation. However the unstructured data derived from social networks also represents huge opportunities to assess and control reputation in real time. People are in fact using those platforms to share their opinions, their tastes or even their feelings with others. That mass of information may be used to approximate corporate reputation in real time. Corporate reputation is in continuous movement. Specialized organizations, such as the Reputation Institute and Fortune Magazine, have made the assessment of corporate reputation one of the main focuses of their activities. However, these assessments only provide annual estimations based on yearly surveys where social medias are not part of the equation. Therefore, the structure of social networks' data appears to be the best way to provide live information and thus live reputation assessments. In this paper, we have created an analyzing tool that can measure reputation in real time through 9 keys: (1) innovation, (2) people management, (3) social and environmental responsibility, (4) long-term investment, (5) competitivity, (6) use of corporate assets, (7) financial soundness, (8) quality of management and (9) quality of products/services) and provide a reputation score based on high frequency unstructured data from Twitter. We have then used this specific tool to assess reputation of all the S&P500 companies on a 5 months period. By using an ordered logit model, we were able to validate that the reputation of a company and its stock market price are correlated. The results however show that this interaction is not directly observable and that, depending on the reputation key, it can take some time to notice any stock price movement related to a reputation movement. Based on these analyses, we were able to develop stock market investment strategies. These strategies enable the investor to optimize his gain opportunities by investing in a specific industry and on a specific day depending on companies' reputation scores. We also applied the reputation analyzing tool to 2 specific cases: (1) The Apple Watch release and the (2) The Volkswagen scandal. The results confirm the S&P500 analysis conclusions and show that a multinational company can follow its reputation in real time by using the reputation tool.


identifier: Trottier-Lapointe, W. (2015). Nouveaux matériaux à indice de réfraction ultra faible pour applications ophtalmiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le verre, ou tout autre matériau transparent, est essentiel pour la fabrication de fenêtres, de caméras, de téléphones cellulaires et de bien d'autres technologies. Pour maximiser sa performance,les verres doivent actuellement subir plusieurs traitements qui permettent d'accroitre à la fois la transparence, la durabilité et la résistance environnementale. Dans le contexte de la transmission optique, l'implémentation de filtres antireflets à base de couches minces permet de minimiser la réflexion des lentilles en verre par l'intermédiaire d'effets interférentiels. Ce procédé a bien des avantages tels que la réduction des éblouissements lors de la conduite nocturne, l'élimination des reflets indésirables, la maximisation de la transmission souhaitée et la diminution de la réflexion de rayons UV dans l'oeil ; l'objectif ultime étant d'obtenir un verre complètement «invisible». Ces filtres sont habituellement composés de deux matériaux différents, l'un à indice de réfraction faible et l'autre élevé et la différence d'indice de réfraction entre ces derniers est directement reliée à l'efficacité des filtres antireflets. En ce sens, ce projet porte sur le développement de matériaux à indice de réfraction ultra faible (n<1.45) pour application en optique ophtalmique afin d'augmenter la performance des filtres antireflets. Ceci étant dit, la durabilité des matériaux étant également très importante, il est primordial dans ce projet d'évaluer quel est l'indice de réfraction minimum pouvant être incorporé dans les architectures actuellement utilisées sans pour autant compromettre leur durabilité (résistance mécanique et environnementale). Plusieurs méthodes de production de matériaux à très faible indice de réfraction ont été explorées et optimisées. Ainsi, les objectifs visés sont de générer des matériaux à indice de réfraction inférieurs à 1,45, de caractériser leurs propriétés optiques et mécaniques, de les optimiser ainsi que d'insérer les meilleurs candidats dans un revêtement antireflet complet, pour comparer la résistance mécanique et environnementale du filtre obtenue avec les standards actuels. Plus spécifiquement, trois méthodes différentes ont été explorées afin de générer de la nanoporosité dans les matériaux de façon uniforme et contrôlée, diminuant ainsi l'indice de réfraction moyen. Tout d'abord, le dépôt à angle rasant permet de créer une structure colonnaire poreuse qui, combinée à un précurseur organique, est élastique et dure. Ensuite, le dépôt avec porogène offre la possibilité d'insérer de petites molécules organiques qui sont ensuite évaporées,laissant ainsi à leur place des pores vides. Finalement, la gravure par plasma permet la modification d'une surface en exposant, par exemple, un polymère à des ions d'oxygène énergétiques.  ABSTRACT: Glass, or any other transparent material, is essential to make windows, cameras, cellphones and many other technologies. In order to maximize its performance, glass needs various treatments to increase its optical transmission, durability and environmental robustness. In the context of transmission, the implementation of antireflective (AR) filters made of thin films allows the reduction of the reflection by nterference effects. This has many advantages such as glare reduction and increased transmission and therefore less eyestrain: the ultimate objective being to obtain ompletely “invisible” glass. Optical filters are usually composed of two materials, one with a low refractive index and the other with a high refractive index. In addition, the refractive index contrast between these materials is directly linked to the efficiency of the AR coatings. In response to these needs, the objectives of this research project was to develop new ultra low refractive index materials (n<1.45) for applications in ophthalmics in order to increase the performance of the AR coatings. That being said,the durability of the materials is also of the utmost importance. Therefore, the goal is to obtain the lowest refractive index without compromising the durability (mechanical and environmental) of the final product. Within this project, many methods to produce ultra low refractive index materials were explored with the objectives of creating or generating materials with refractive indices lower than 1.45, characterize and optimize their optical and mechanical properties and finally insert the best candidates into complete AR coatings. Then, mechanical and environmental resistance are compared to today's standards. Three different methods were explored in order to insert or generate nano-porosity in materials in a controlled and uniform manner, thus lowering the effective refractive index. First, glancing angle deposition allows one to generate columnar micro-structures that, when combined with an organic precursor, are hard and elastic. Next, the deposition using a porogen offers the possibility to insert small organic molecules which are then evaporated, thus leaving behind empty pores. Lastly, oxygen plasma exposure allows the modification of a surface by exposing, for example, polymers to high energy oxygen ions. The most promising solutions were implemented in complete filters and compared to conventional filters. Ultimately, each method allowed the production of ultra-low refractive index materials. The first method, glancing angle deposition, produced materials with a refractive indices as low as 1.20. However, to obtain sufficient mechanical properties, it was necessary to limit the index to 1.35.


identifier: Bouzidi, M. W. (2015). Un algorithme tabou stochastique pour le problème de recouvrement d'ensemble à coûts unitaires  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème de recouvrement d'ensemble avec coûts unitaires (USCP) est un problème NP-difficile. Ce problème possède plusieurs applications importantes comme le problème d'affectation des équipages. Le but de notre travail est de résoudre de manière efficace le problème USCP. Pour atteindre cet objectif, nous avons commencé par développer un algorithme tabou qui s'inspire du meilleur algorithme conçu pour résoudre ce problème. L'un des points faibles de ce dernier algorithme est l'absence d'une technique permettant un réglage efficace des paramètres. Notre principal objectif était de trouver une manière efficace de régler les paramètres. Durant notre travail, nous avons exploré plusieurs approches. La première approche consistait à trouver des formules générales pour nos listes taboues. Nous n'avons pas réussi à trouver des formules simples, mais les résultats des tests réalisés avec nos deux formules compliquées sont meilleurs que ceux obtenus par le meilleur algorithme de la littérature. La deuxième approche consistait à adapter l'algorithme tabou réactif à notre problème USCP. Les tests réalisés avec cette approche ont montré que l'algorithme ne produit pas des cycles avec les jeux de grande taille, donc incapable de régler dynamiquement les longueurs des listes taboues. Notre troisième idée consistait à combiner le recuit simulé avec l'algorithme tabou. Nos tests ont révélé que l'algorithme obtient des résultats médiocres lorsque la température n'est pas suffisamment basse. Grâce aux résultats obtenus avec la troisième approche, nous avons développé notre algorithme tabou stochastique STS. Notre algorithme STS nous a permis de régler plus facilement les longueurs des listes taboues. Les résultats de STS sont meilleurs que ceux obtenus par RWLS -- le meilleur algorithme de la littérature publié récemment. Notre algorithme obtient 6 nouveaux records et atteint tous les meilleurs résultats sur le reste des jeux de données. Pour rendre nos algorithmes plus rapides, nous avons développé une implémentation efficace. Notre implémentation est fondée sur deux caractéristiques clés. La première est l'utilisation d'algorithmes de bas niveau incrémentaux. Le deuxième point fort de notre implémentation est l'utilisation des files de priorité qui rendent la sélection d'un mouvement plus rapide. Les tests effectués montrent l'efficacité de nos files de priorités sur la majorité des jeux de données traités dans notre travail.  ABSTRACT: The unicost set covering problem (USCP) is an NP-hard problem. This problem has many important real-life applications such as the crew scheduling problem. In this work, we aim to effectively solve the USCP. To achieve this goal, we first developed a tabu search algorithm inspired by the best algorithm designed to solve the USCP. One of the weaknesses of the latter algorithm is the absence of an effective technique for setting the parameters. Our main objective was to find an effective way to adjust the tabu lists parameters. During our work, we explored several approaches. The first approach was to find general formulas for our tabu lists. We have not managed to find simple formulas, but the results of the tests performed with our two complicated formulas are better than those obtained by the best performing algorithms in the literature. The second approach was to adapt the reactive tabu algorithm to our problem. Tests performed with this approach have shown that the algorithm does not produce cycles when applied to big instances, so it is unable to dynamically adjust the length of the tabu lists. Our third idea was to combine a simulated annealing algorithm with the tabu algorithm. Our tests revealed that the algorithm performs poorly when the temperature is not low enough. Thanks to the results obtained with the third approach, we have developed our stochastic tabu algorithm STS. Our STS algorithm allowed us to easily adjust the lengths of the tabu lists. STS results are better than those obtained by RWLS - the best algorithm in the literature which was recently published. Our algorithm obtains 6 new records and achieves the best results on all the remaining instances. To make our algorithm faster, we have developed an efficient implementation. Our implementation is based on two features. The first is the use of incremental low level algorithms. The second feature of our implementation is the use of priority queues that make the selection of the movements faster. The tests show the effectiveness of using the priority queues on the majority of the instances used in this work.


identifier: Solis, J. (2015). Développement d'un estimateur d'état énergétique d'un chauffe-eau pour un contrôle par champ moyen  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les chauffe-eau électriques domestiques présentent un potentiel de stockage intéressant pouvant être exploité dans un contexte de réseaux électriques intelligents. Ainsi, par exemple, une variation de 1 °C de la température de l'eau d'un chauffe-eau électrique (CE) de 270 litres correspond à 0.313 kWh d'énergie. Pour un réseau électrique comme celui d'Hydro-Québec, qui compte environ 2 millions de CE, cela représente un fort potentiel de stockage. Cette source de stockage déjà présente sur le réseau permettrait, à l'aide d'une stratégie de contrôle adéquate, de lisser la courbe de consommation d'électricité en déplaçant une partie de la charge survenant lors des périodes de pointe vers les périodes de creux. Ce mémoire s'inscrit dans un contexte de développement d'une plate-forme de simulation visant à implanter une stratégie de contrôle par champ moyen des chauffe-eau sur le réseau. Cette approche novatrice de contrôle permet à l'ensemble des chauffe-eau de répondre à une consigne globale tout en respectant les contraintes locales de chacun. Pour être fonctionnelle, cette stratégie requiert plusieurs composantes devant être intégrées à la plate-forme de simulation. Plus particulièrement, ce mémoire s'intéresse au développement d'un modèle numérique et à l'estimation de l'état en température et en énergie d'un chauffe-eau électrique domestique. Le modèle proposé pour la prédiction du comportement d'un chauffe-eau est un modèle multinodal. Cette approche permet de discrétiser le réservoir d'un chauffe-eau en plusieurs petits volumes. L'équation de conservation de l'énergie est résolue pour chacun de ces sous-volumes, et il est possible de prédire l'évolution en température moyenne à la sortie avec une erreur moyenne de 2.4 °C. Les résultats issus du modèle multi-nodal se comparent favorablement avec des modèles numériques de référence, retrouvés dans le logiciel de simulation thermique TRNSYS, ainsi qu'avec des mesures expérimentales de température d'un chauffe-eau électrique. Dans ce modèle, la température est supposée uniforme pour chaque sous-volume et les pertes en attente sont considérées constantes. Bien que le modèle soit linéaire, une routine de correction permet de redistribuer adéquatement la chaleur à l'intérieur du réservoir tout en respectant la dynamique thermique du chauffe-eau, notamment la présence d'une stratification de la température au niveau des éléments chauffants. Le modèle multi-nodal est utilisé principalement pour simuler la charge d'une grande population de chauffe-eau sur le réseau électrique. Il est également utile au planificateur, qui génère la température de consigne pour l'ensemble de la population, ainsi qu'au contrôleur par champ moyen, qui génère la commande optimale pour ce même ensemble.  ABSTRACT: Domestic electric water heaters (EWH) provide an interesting energy storage potential that can be exploited in the context of smart grids. For example, a variation of 1 °C of the water temperature of an EWH of 270 liters corresponds to 0.313 kWh of energy. For utilities like Hydro-Québec, which has about 2 million EWH connected to its grid, this represents a strong storage potential. This storage source already present on the network could allow, using an adequate control strategy, to smooth the electricity consumption curve by moving some of the load occurring during peak periods to trough periods. This thesis position itself in the context of developing a simulation platform to implement a mean field control strategy of water heaters on the grid. This innovative approach enables control of all water heaters to meet a global objective while respecting local constraints of each. To be functional, the strategy requires several components to be integrated into the simulation platform. Specifically, this thesis focuses on the development of a numerical model and the estimation of the state in temperature and energy of an EWH. The proposed model for predicting the behavior of a EWH is a multi-nodal model. This approach allows discretizing the tank of an EWH into smaller volumes. The energy conservation equation is solved for each of these sub-volumes and it is possible to predict changes in the output mean temperature with an average error of 2.4 °C. The results from the multi-nodal model compare favorably with numerical reference models, found in the TRNSYS thermal simulation software, as well as experimental measurements of temperature of an electric water heater. In this model, the temperature is assumed to be uniform for each sub-volume and the standby losses are considered constants. Although the model is linear, a correction routine allows redistributing adequately heat within the tank while respecting the thermal dynamics of the heater, including the presence of temperature stratification at the heating elements, hence breaking the linearity. The multi-nodal model is used primarily to simulate the load of a large water heater population on the power grid. It is also useful to the scheduler, which generates the desired temperature for the whole population, as well as by mean field controller, which generates the optimal control for this same group. The estimation process takes place in two distinct steps: estimating the sequence of hot water draw (discrete state of the system) and the reconstruction of the temperature Inside the tank (continuous system state).


identifier: Ben Nasr, M. (2015). Optimisation de l'indice du coût pour la minimisation du coût total d'un vol commercial  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: On se propose dans ce projet de maîtrise de résoudre le problème de la détermination de l'indice du coût optimal afin de minimiser le coût total d'un vol commercial. On commence par définir les modèles utilisés afin de représenter le coût total d'un vol, ensuite on étudie les composantes du coût total afin de développer une méthode qui permet de déterminer l'indice du coût optimal. Le coût total d'un vol commercial est composé des coûts reliés à la consommation de carburant et d'autres coûts qui sont essentiellement reliés à la durée du vol. On étudie au chapitre 3, la fonction qui représente les coûts autres que le coût du carburant et on représente cette fonction pour l'exemple d'un vol Montréal-Paris opéré avec un Boeing 777-300-ER (B77W). On utilise ensuite le code de la méthode OTA (pour Optimisation des Trajectoires Aériennes) afin d'étudier l'effet de l'indice du coût sur la masse de carburant consommé et sur la durée de vol pour le même trajet. Ensuite, on présente au chapitre 4 le problème d'optimisation traité et les particularités du modèle proposé. On propose de traiter une version simplifiée du problème en utilisant une fonction M(T) parabolique. On s'attaque ensuite, à une version plus réaliste qui englobe les discontinuités qu'on a relevées lors des simulations effectuées avec le code OTA. L'objectif du projet est de définir une méthode qui permet de trouver l'indice du coût optimal. On développe au chapitre 5, la méthode qui permet de limiter les intervalles de recherche pertinents pour la durée de vol optimale ainsi que la méthode utilisée pour déterminer l'indice du coût optimal pour le cas où M(T) est continue et dans les cas où elle est continue par morceaux. On étudie également dans le même chapitre l'effet du retard sur la solution optimale. Mots clés : indice du coût, plan de vol, trajectoire aérienne, coût d'un vol, durée de vol, masse de carburant consommé, retard avant le décollage.  ABSTRACT: The purpose of this master project is to solve the problem of finding the optimal cost-index in order to minimize the total cost of a commercial flight. We define the models used to represent the total cost of the flight, then we study the components of the total cost in order to build a method to find the optimal cost-index. The total cost of a commercial flight is composed of burned fuel related costs and other costs which are mainly related to flight time. First in the third chapter, we study the function representing all the costs that are not related to burned fuel and we give an example of this function for a Montréal-Paris flight operated with a Boeing 777-300-ER (B77W). We then use the OTA method code («Optimisation des Trajectoires Aériennes» in french) in order to study the effect of cost-index variations on burned fuel. The simulations with the OTA method code are done for a Montréal-Paris flight using a B77W as well. Next in the fourth chapter, we present our optimization problem with its particularities. We propose to study a simplified version of the problem using a continuous and parabolic function M(T). This study allow us to have a better understanding of the real problem and more indications on the optimal way to solve it. We then replace M(T) by a piecewise parabolic function containing the discontinuities that we discovered during the simulations. We use the conclusions that we found after studying the simplified problem to develop the method that we will use to determine the optimal cost-index. The main objective in this project is to define an efficient method to find the optimal costindex. We show in the last chapter the rules allowing to reduce the search intervals of the optimal cost-index as well as the method used to find �� in the cases where M(T) is continuous and where it is piecewise parabolic. We study in the same chapter the effect of a pre-departure delay on optimal arrival time and optimal flight time. Key words: cost-index, flight plan, flight path, flight cost, flight time, mass of consumed fuel, pre-departure delay.


identifier: Chekkouri, A. S. (2015). Véhicules connectés contributions à la communication véhicule-réseau mobile et la localisation coopérative  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Véhicules connectés, ou « connected vehicles », est un nouveau paradigme des systèmes de transport intelligents (STI) qui vise à améliorer la sécurité et l'efficacité du trafic routier en utilisant les communications sans fil. Les communications des véhicules connectés (ou, V2X) englobent les communications sans fil entre véhicules et infrastructures (V2I), entre véhicule et véhicule (V2V), et entre les véhicules et les dispositifs sans fil (V2D).  Considéré comme la norme de facto pour les communications V2X, le DSRC/WAVE est le principal standard de communication sans fil spécifiquement conçu pour les communications véhiculaires. L'efficacité du DSRC/WAVE pour les communications V2V et V2I a été prouvée par de nombreuses études et bancs d'essai dans le monde réel. En ce qui concerne la communication V2V, le passage au stade de déploiement à grande échelle est prévu à l'horizon 2020. En ce qui a trait à la communication V2I, bien que le déploiement d'une infrastructure DSRC (RSU) soit critique pour plusieurs applications STI, il n'y a toujours pas de plan pour son déploiement à grande échelle, essentiellement en raison de la nécessité d'investissements publics considérables. Avec les progrès réalisés au niveau des dernières versions du réseau mobile 4G LTE-A, les réseaux mobiles émergent comme l'une des principales technologies pour les communications V2I. En effet, le réseau mobile LTE-A permet aujourd'hui un plus grand débit (100Mb/s - 1Gb/s) avec relativement un faible délai (10ms) grâce à une évolution au niveau de l'architecture du réseau et l'introduction de nouvelles technologies telles que la densification du réseau à l'aide de petites cellules, relais (fixes et mobiles), la connectivité double (Dual Connectivity, DC), l'agrégation de porteuses (Carrier Aggregation, CA), etc.; des évolutions qui ouvrent la voie vers la 5G à l'horizon 2020 avec la promesse d'un débit encore plus élevé (10Gb/s) et d'un plus faible délai (1ms), ce qui renforce ainsi la tendance pour une future intégration véhicule et réseau mobile. Afin d'atteindre une plus grande efficacité spectrale, les petites cellules sont largement adoptées par les opérateurs de réseaux mobiles, dans les réseaux dits hétérogènes (HetNets), comme une solution clé pour désengorger le trafic au niveau des macrocellules et améliorer la capacité et la couverture du réseau d'accès. Cependant, bien que l'utilisation des petites cellules soit une solution intéressante pour les communications V2I, étant donné leur faible portée, cela provoque des relèves fréquentes qui mènent à une surcharge élevée de signalisation vers le réseau cœur. De plus, étant donné que les petites cellules sont généralement connectées au réseau cœur via une connexion Internet, celle-ci devient le goulot d'étranglement pour la relève et le transfert de données. D'où l'importance de compléter un maximum de relève localement. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'intégration véhicule infrastructure. L'objectif général est de proposer une architecture pour véhicule connecté basée sur la localisation coopérative, la communication V2I et la gestion de relève pour une meilleure intégration VANET – réseau mobile. Cette thèse fait état de trois principales contributions. 1. La première contribution concerne la proposition d'algorithmes de localisation coopérative, basés sur une approche ensembliste, qui permettent d'améliorer la précision de localisation. Le premier algorithme appelé (CLES) est un algorithme générique pour la localisation coopérative basée sur une approche ensembliste. Le deuxième algorithme, appelé (CLEF), est une application de l'algorithme CLES à la localisation par approche des signatures. De plus, nous caractérisons leur précision en évaluant la réduction du diamètre maximal et l'aire du polygone en fonction de différents paramètres tels que le nombre de polygones, la configuration géométrique, la proximité du nœud par rapport à la frontière de son polygone, et l'incertitude sur les mesures de distances. 2. La deuxième contribution porte sur la sélection des passerelles mobiles pour connecter efficacement les véhicules aux petites cellules du réseau mobile. Nous formulons le problème de sélection des passerelles mobiles sous forme d'un problème de programmation linéaire binaire multi-objectif (MO-BIP). Ensuite, nous évaluons l'efficacité de l'algorithme au niveau du temps de calcul pour différents degrés de connectivité et un nombre variable de véhicules. 3. La troisième contribution concerne la gestion de la relève dans les petites cellules du réseau mobile (LTE-A) afin de supporter efficacement les communications des véhicules connectés et réduire la surcharge de signalisation vers le réseau cœur. Pour ce faire, nous proposons un nouveau schéma basé sur le transfert local de trafic en utilisant les liens X2 et les nœuds d'ancrage. Trois procédures sont proposées, à savoir: 1) intra-domaine, 2) inter-domaines, 3) et K-sauts inter-domaines. Ensuite, en utilisant un modèle analytique, nous évaluons l'efficacité du schéma proposé.  ABSTRACT: Connected Vehicles are a new intelligent transportation paradigm that uses wireless communications to improve traffic safety and efficiency. It has received a great deal of attention in recent years, across many communities. While the DSRC is widely recognized as the de facto standard for V2V, other wireless technologies are required for large-scale deployment of V2I communications. Thanks to its high data rates and large scale deployment, the LTE-A enhanced by small cells densification, is positioned as one of the major candidate technologies for V2I communications. However, using LTE-A small cells for V2I communications is challenging due to their small coverage which lead to frequent handoffs and more signaling overhead.  Thanks to recent advances in LTE-A Releases-10/11/12, the 4G LTE-Advanced (LTE-A) mobile network appears as one of the major candidate technologies for V2I communications. In fact, the LTE-A promises to deliver reduced connection setup time and lower latency (10ms) and higher data rates (up to 1Gbps) by using new physical layer technologies and new network elements and functions such as, network densification using Small Cells (SCs), Dual Connectivity (DC), Relaying functionality, Carrier Aggregation (CA), Device to Device (D2D) communication, etc.; developments that pave the way to 5G in the Horizon 2020, with the promise of an even higher data rates (more than 10 Gbps) and even much lower latency (1ms), which reinforces the trend for future integration between VANET  and mobile networks for V2I communications.  Although the macrocell will remain the major Radio Access Network (RAN) element for wide-area coverage and high-mobility users, it is no longer sufficient to meet user's demand in many high-density areas. Indeed, due to the proliferation of mobile devices and applications, mobile data demand continues to grow exponentially. Small cells, which include microcells, picocells, and femtocells, are widely recognized as a key solution for enhancing RAN capacity and coverage. They are increasingly used by mobile operators, in the so-called Heterogeneous Network (HetNet), to offload traffic from their macrocells. A HetNet is typically composed of several layers (macrocells, small cells), and in some cases different access technologies (e.g., LTE-A, UMTS, WiFi). SCs densification involves deploying more small coverage base stations in high demand areas to bring higher spectral efficiency per coverage area.  Nevertheless, the SCs deployment faces a number of problems relevant to mobility handling that have to be addressed. More specifically, the use of SCs with limited coverage causes frequent handovers that lead to high signaling overhead toward the core network. In addition, since the small cells are generally connected to the EPC via a network Internet connection, this one becomes the bottleneck for handovers and data forwarding, hence the importance of completing a maximum of handover locally. This thesis therefore aims to propose solutions for VANETs and mobile networks integration. The main contributions of this thesis are summarized as follows: The first contribution concerns the proposed cooperative localization algorithms, based on a set-membership approach which improves the location accuracy. The first algorithm called (CLES) is a generic algorithm for cooperative localization based on a set-membership approach. The second algorithm called (CLEF) is an application of CLES algorithm to fingerprinting localization. In addition, we characterize their accuracy by evaluating the reduction of the maximum diameter and the area of the polygon depending on various parameters such as the number of polygons, the geometric configuration, the nearest node in relation to the boundary of the polygon, and the uncertainty of distance measurements. The second contribution concerns the selection of mobile gateways to effectively connect vehicles to small cells of the mobile network. In fact, while each vehicle may directly uses its LTE-A interface for V2I communications, we argue that by selecting a limited number of GWs, we can effectively reduce the mobility signaling overhead. Hence, we propose a new network-based mobile gateway selection scheme with one-hop clustering to efficiently relay the traffic from neighbouring vehicles toward the serving SC. The selection problem is formulated as a multi-objective binary linear programming problem. Using linear programming solver, we show that, for realistic number of vehicles per small cell and GW connectivity degree, the execution time is relatively short. As a third contribution of this thesis, we focus on challenges relevant to mobility for VANETs using LTE-A network. Specifically, a novel architecture that integrates VANET and 4G LTE-A Heterogeneous Network for enhanced mobility in LTE-A small cells is introduced. First, we propose a new network-based mobile gateway selection scheme with one-hop clustering to efficiently relay traffic from neighbouring vehicles toward the serving SC. The problem is formulated as a multi-objective binary programming problem. Then, for seamless mobility of connected vehicles, we propose a local k-hops anchor-based mobility scheme with three procedures, namely intra-domain, k-hops inter-domain and inter-domain procedures. Numerical results show the effectiveness of the proposed mobility schemes for reducing the generated signaling load towards the core network.


identifier: Ypou, T. Y. K. (2015). Désagrégation des débits mensuels en débits journaliers  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une estimation adéquate des apports naturels historiques générés dans un système hydrique (SH) permet une bonne gestion des réservoirs de centrales hydroélectriques. Cette gestion est une garantie pour une planification efficiente de la production d'hydroélectricité. La reconstruction des apports naturels réels (ANR) de qualité, pour les périodes avant et après la mise en eau des réservoirs, est recherchée par Hydro-Québec (HQ). La mise en place des séries de données historiques journalières à partir des séries de données mensuelles demeure une préoccupation majeure tant pour HQ que pour la communauté scientifique. Au-delà des avantages liés à la maîtrise du comportement hydrologique des bassins des systèmes hydriques, la présente étude vise aussi la mise en place des mesures appropriées en vue de protéger les populations et les divers biens situés dans les zones concernées.  ABSTRACT: A good estimate of the historical natural flow of water in a water system, allows an appropriate management of reservoirs of hydroelectric plants. This management is a guarantee for efficient planning of hydropower production. The reconstruction of the real natural inputs with quality features for the periods before and after the impoundment of reservoirs is sought by HQ. The implementation of a good quality daily historical data from monthly data remains a major concern both for HQ and for the scientific community. Beyond the benefits of mastering simulations of the basin's hydrological behavior in water systems, this study allows the establishment of appropriate measures to protect the population and the various properties located in riparian areas of water systems. The main objective of the study is the breakdown of monthly flows in daily flows. This study is in the business context of HQ.


identifier: Dubois, P.-O. (2015). Développement d'un procédé automatisé pour la mise en forme de préformes textiles pour les matériaux composites  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux composites sont de plus en plus présents dans les domaines de hautes performances tels que l'automobile et l'aéronautique. Depuis quelques années, les procédés de fabrication de composites à base de fibre de carbone se tournent de plus en plus vers l'utilisation de préformes textile. Ces dernières permettent de diminuer drastiquement le temps de production des pièces en composites. Cependant, la fabrication des préformes textiles souffre de plusieurs problèmes, entre autres, beaucoup d'opérations sont faites à la main et induisent ainsi de très long cycles de fabrication en plus de défauts dans le produit final. Le projet présenté par ce mémoire expose une solution robotique pour la fabrication des préformes textiles des matériaux composites à base de fibres de carbone (CFRP) telle que développée au Groupe CTT (GCTTG). En effet, l'hypothèse ici posée est que l'automatisation d'un tel procédé permet de réduire le temps de fabrication des préformes textiles en plus d'augmenter leur qualité. Plus en détail, les objectifs spécifiques sont d'optimiser les opérations de découpe, d'automatiser la manipulation des tissus et le changement des gabarits d'assemblage à l'aide d'un robot sériel industriel, à savoir un Kuka KR-100. Pour résoudre les problèmes liés à chaque opération du procédé (découpe, manipulation et assemblage), des solutions sont proposées. Tout d'abord, trois améliorations sont présentées pour résoudre les problèmes liés à la découpe : l'identification des meilleurs paramètres, le développement d'une nouvelle technique de découpe, et l'estimation de la pose optimale du robot. Puis, pour résoudre les problèmes liés à l'assemblage, une technique de calibration sans contact pour les repères de base est présentée. Enfin, la conception d'un outil pour la manipulation automatisée des préformes textiles est présentée sur la base d'un nouveau mécanisme possédant une capacité d'adaptation de forme à l'aide d'articulations passives compliantes. Les résultats expérimentaux démontrent qu'il est possible de diminuer la durée totale des opérations de fabrication de préforme textiles par rapport au procédé antérieurement fait à la main. Le type de mémoire choisi pour ce projet de recherche est par article. Le centre de ce travail est un article rédigé pour le Journal aéronautique et spatial du Canada (Canadian Aeronautics and Space Journal (CASJ)), intitulé Optimization of a Robotic Textile Preform Manufacturing Process for carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Pour introduire cet article, une revue de littérature critique ainsi que la démarche générale du projet est présentées. Ensuite, certains aspects méthodologiques et résultats complémentaires sont élaborés pour compléter l'article. Finalement, une discussion générale et une conclusion terminent le mémoire.  ABSTRACT: Composite materials are increasingly present in areas of high performance such as automotive and aerospace. Recently the Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) manufacturing processes are turning more and more towards the use of textile preforms. Indeed, they allow to drastically reduce the time of production of composite parts. However, the manufacture of textile preforms suffer from several problems. Among these, many operations are made by hand and thus induce very long production cycle in addition to some defect in the final product. The project presented by this dissertation presents a robotic solution for the manufacturing of textile preforms of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) as developed at CTT Group (GCTTG). Indeed, the assumption is made here that automation of such a process reduces the textile preform manufacturing time in addition to increasing their quality. In more detail, the specific objectives are to optimize the cutting, automate the handling of the fabric, and the changing of the jigs using an industrial serial robot, namely a Kuka KR-100. To solve the issues related to each of the process operations (cutting, handling and assembly), solutions are proposed in this dissertation. First, three improvements are presented which solve the problems related to the cuts: the best practice cutting parameter identification, the development of a novel cutting technique, and the estimation of the optimal robot pose. Then, to solve the issues related to assembly, a contactless base frame calibration technique is presented. Finally, the design of a tool for textile handling is also presented based on a novel mechanism using passive compliant shape adaptation. Experimental results demonstrate that it is possible to decrease the total duration of the textile preform fabrication operations compared to the process previously done by hand. The dissertation type chosen for this research project is by article. Therefore, the center of this work is an article written for the Canadian Aeronautics and Space Journal (CASJ) title Optimization of a Robotic Textile Preform Manufacturing Process for carbon fiber reinforced plastic (CFRP). To introduce this article, a literature review and the general approach of this project is presented. Then, some methodological aspects and complementary results are elaborated to complet the article. Finally, a general discussion and a conclusion complete the dissertation.


identifier: Houssa, F. (2015). Contribution à la modélisation hydrologique des zones de pergélisol : développement d'une approche de liaison de module de pergélisol pour le modèle GSSHA  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'augmentation de la température de l'air accompagnant le réchauffement climatique conduira à une dégradation du pergélisol. En conséquence, l'épaisseur de la couche active devient importante. La couche active est la couche superficielle du sol qui est située au-dessus du pergélisol et qui subit des cycles de gel et de dégel à travers les saisons. Elle constitue une zone du sol où les processus hydrologiques tels que l'évaporation, l'infiltration et l'écoulement hypodermique se produisent. Durant la saison du gel, la couche active devient une couche de sol imperméable. Pendant la saison d'été, elle devient un réservoir de stockage des eaux infiltrées. Dépendamment du degré de dégradation de la zone de pergélisol, la variation de la profondeur du dégel de la couche active influence le régime d'écoulement des eaux au niveau du bassin versant.  ABSTRACT: Rising air temperature accompanying climate change will lead to permafrost degradation. Accordingly, the thickness of the active layer will increase. Soil active layer represents an area where major components of the hydrological processes such as evaporation, infiltration and hypodermic flow occur. The active layer undergoes a freeze-thaw sequence through the seasons. During the frost season, it behaves like an impermeable soil layer. However, during the summer season, it becomes a storage for infiltrating water. Depending on the degree of degradation of the permafrost zone, the variation of thawing/freezing depth of the active layer influences the drainage patterns in the watershed. Hence, it is important to take into account the presence of the active layer in the hydrological modeling of a permafrost zone. Some common hydrological modeling systems such as Mike-SHE (Bosson et al., 2013) or GSSHA (Downer and Ogden, 2006) have implemented different approaches to integrate the thickness of the active layer in the assessment of the water balance of a watershed located in a permafrost zone.


identifier: Vanier, F. (2015). Nonlinear Optics in Chalcogenide and Tellurite Microspheres for the Generation of Mid-Infrared Frequencies  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement de sources optiques émettant au-delà des bandes de télécommunication jusqu'à l'infrarouge moyen est grandissant. Des sources nouvelles et améliorées émettant à des longueurs d'onde allant de 2 μm à 12 μm sont régulièrement rapportées dans la communauté scientifique et quelques sources sont déjà disponibles sur le marché. Divers domaines profitent de ces développements dont l'imagerie, les télécommunications, le traitement des matériaux et l'analyse moléculaire pour n'en nommer que quelques-uns. Parmi ces sources,les lasers basés sur les microcavités à modes de galerie sont de plus en plus présents puisque beaucoup d'efforts sont déployés au transfert de leurs propriétés uniques du proche infrarouge à l'infrarouge moyen. En plus de leurs dimensions micrométriques, les microcavités à modes de galerie sont naturellement adaptées à la génération non linéaire de signaux optiques : elles possèdent de grands facteurs de qualité et de petits volumes modaux. Les processus non linéaires de diffusion Raman stimulée et en cascade sont attrayants puisqu'ils ne requièrent aucune condition de dispersion particulière. De plus, ces processus sont observables sur toute la fenêtre de transmission du matériau. La silice qui est le matériel de choix typiquement utilisé pour la transmission de signal dans le proche infrarouge devient opaque aux longueurs d'onde excédant 2 μm. Pour cette raison, on tirera profit de matériaux moins conventionnels mais transparents dans l'infrarouge moyen, tels que les verres de chalcogénure et de tellure. Parmi les microcavités à modes de galerie basées sur les verres de chalcogénure qui ont été rapportées, aucune démonstration de génération non linéaire n'a été faite. Cela s'explique par des pertes optiques trop élevées qui limitent les puissances de seuil aux dizaines de milliwatts, loin des puissances de seuil de quelques microwatts observées dans les microcavités en silice dans le proche infrarouge. La première contribution de cette thèse répond à ce problème par la fabrication de microsphères de haute qualité en As2S3. Reconnus pour leur transparence entre les longueurs d'onde de 1 μm à 6 μm, les verres en As2S3 peuvent être produits avec une grande pureté et possèdent un gain Raman élevé comparé à la silice. Les microsphères en As2S3 sont produites à partir de fibres optiques de grande pureté et elles démontrent des pertes optiques similaires à celles des fibres. Grâce aux procédés d'usinage par laser, les facteurs de qualité optique sont deux ordres de grandeur supérieurs aux valeurs précédemment rapportées. Les microsphères peuvent être fabriquées avec des diamètres variant de 20 μm à 400 μm. Enfin, leur qualité est conservée par un procédé d'encapsulation.  ABSTRACT: In the recent years, the development of optical sources emitting outside the standard telecommunication bands and in the mid-infrared (mid-IR) region is thriving. New and improved sources with wavelengths spanning from 2 μm to 12 μm are regularly reported in the research community and various sources are already available on the market. Diverse domains including imagery, communication, material processing, and molecular analysis are taking advantage of these sources. Among these, micron-size lasers based on whispering gallery modes (WGM) microcavities are gradually entering the race as more effort is invested to transfer their unique properties from near-infrared to mid-IR regions. Along their compactness,WGM microcavities are naturally suitable for nonlinear signal generation: they possess relatively large Q-factors and small mode volumes. Stimulated and cascaded Raman scattering processes are especially attractive for signal generation as they require no particular dispersion condition. Furthermore, these processes can be observed across the entire transparency window of the host material. Typical near-IR materials such as silica have to be replaced by unconventional ones such as chalcogenide and tellurite glasses. All previously reported WGM microcavities based on chalcogenide and tellurite glasses failed to demonstrate nonlinear interaction. They suffered from large optical losses that push threshold power levels to tens of milliwatts, far from the μW level usually observed in silica microcavities at near-IR wavelengths. The first contribution of this thesis is therefore to solve this issue by fabricating low loss As2S3 WGM microcavities. Known for its 1−6 μm transparency window, As2S3 glass can be produced with high purity and exhibits a large Raman gain compared to silica. Made from high purity optical fibers, As2S3 microspheres demonstrated loss levels similar to the optical fiber attenuation. Thanks to a fabrication technique based on laser shaping, the measured optical Q-factors exceed previously reported values by two orders of magnitude in As2S3. Microspheres can be produced with diameters varying between 20 μm and 400 μm. Their quality is maintained using an encapsulation method. The packaged device additionally includes a tapered optical fiber to couple light in and out of the microcavity. The second thesis contribution is the demonstration of stimulated Raman scattering in As2S3 microspheres. Threshold coupled pump powers of ~ 13 μW with internal power conversion efficiency of 10 % were observed for pump and signal wavelengths of 1550 nm and 1640 nm.


identifier: Ayombo Ndombet, J. (2015). Gestion des eaux pluviales en zones côtières dans un contexte de changements climatiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les projections climatiques prédisent une augmentation des intensités des précipitations et du niveau global de la mer, notamment dans les régions côtières. L'urgence de mettre en place des techniques d'adaptation des zones côtières aux changements climatiques s'intensifie de plus en plus. Ce projet vise à apporter des solutions de gestion des eaux pluviales en zones côtières dans un contexte de changements climatiques. Les courbes IDF des pluies en climat futur sont générées à partir du modèle climatique MIROC5 via l'outil IDF_CC. Les courbes IDF obtenues permettent par la suite de produire des pluies de récurrence 5ans et de type Chicago d'une durée de 3h avec un pas de temps de 10 min.  ABSTRACT: Climate projections predict an increase in precipitation intensity and global sea levels, especially in coastal regions. The urgency to implement method of coastal adaptation under climate change is increasingly growing. This project aims to provide storm water management in coastal areas under climate change. IDF curves under climate change are generated from the climate model MIROC5 via IDF_CC tool. The resulting IDF curves are used to produce a Chicago 5-year return period rainfall of 3hours duration with a 10 min time step.


identifier: Lim, S. (2015). Influence des caractéristiques géomécaniques du réseau de fractures sur les pressions d'injection limites  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'injection de coulis de ciment dans la roche fracturée permet d'améliorer l'étanchéité et la résistance des massifs rocheux sur lesquels reposent les fondations des ouvrages civils, notamment les barrages hydroélectriques. En Amérique du Nord, la méthode la plus répandue consiste à injecter le coulis à une pression égale ou inférieure au critère empirique de 25 kPa par mètre de couvert. Le critère utilisé pour définir la pression limite est conservateur car il réduit et simplifie l'état des contraintes naturelles en des contraintes dues à la gravité seulement et il ne tient pas compte des caractéristiques mécaniques du massif rocheux et du coulis d'injection. L'objectif de cette étude est de vérifier l'influence des paramètres géomécaniques sur la pression d'injection et la pertinence d'une pression d'injection établie sur la base du critère empirique de 25 kPa/m avec le logiciel d'éléments distincts UDEC à l'aide d'un modèle bidimensionnel comportant un réseau de fractures simple et un nombre d'intrants limité.  ABSTRACT: Grouting jointed rock masses improves their water tightness and strength for civil infrastructure foundations such as hydroelectric dams. In North America, the most common method involves injecting grout in fractures at a pressure given by a rule of thumb of 25 kPa per meter of rock cover. The criterion used to define the limit pressure is conservative because it considers a state of stress due to gravity only and does not take into account the geomechanical characteristics of the rock mass and the properties of the injection grout. The objective of this study is to verify the influence of geomechanical parameters on maximum injection pressures and compare it to the empirical criterion of 25 kPa /m using UDEC, a distinct element code for 2D modelling of fractured rock masses.


identifier: Bahrami, S. (2015). Multi-Fidelity Design Optimization of Francis Turbine Runner Blades  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de thèse propose une méthodologie Multi-Fidelity Design Optimisation (MFDO) qui vise à améliorer l'efficacité du processus de conception en génie mécanique. Cette méthodologie a été développée pour résoudre les problèmes liés à la conception mécanique des roues de turbines hydrauliques. Cette méthode peut être utilisée dans d'autres processus d'optimisation d'ingénierie, surtout si les processus d'optimisation sont coûteux. L'approche MFDO divise le coût informatique entre deux phases, une basse fidélité et une haute-fidélité. Cette méthode permet d'intégrer les avantages des évaluations à basse fidélité et haute-fidélité, et pour équilibrer le coût et la précision requise par chaque niveau de fidélité. Alors que la phase de basse fidélité contient la boucle itérative d'optimisation, la phase haute-fidélité évalue les candidats de conceptions prometteuses et calibre l'optimisation basse fidélité. La nouvelle approche de MFDO propose un Territorial-Based Filtering Algorithm (TBFA) qui relie les deux niveaux de fidélité. Cette méthode traite le problème que l'objectif d'optimisation à basse fidélité est différent de celui de la phase à haute-fidélité. Ce problème est commun dans les optimisations de substitutions basées sur la physique (par exemple en utilisant une analyse d'écoulement non visqueux à la place des évaluations d'écoulement visqueux). En fait, la vraie fonction n'est pas évaluable dans la phase basse fidélité due à l'absence de la physique impliquée dans ces évaluations. Par conséquent, les solutions dominantes de l'optimisation basse fidélité ne sont pas nécessairement dominantes du point de vue du véritable objectif. Par conséquent, le TBFA a été développé pour sélectionner un nombre donné de candidats prometteurs, qui sont dominants dans leurs propres territoires et qui sont assez différents du point de vue géométrique. Tandis que les objectifs de la phase haute-fidélité ne peuvent être évalués directement dans la phase basse-fidélité, certains objectifs peuvent être sélectionnés par des concepteurs chevronnés parmi des caractéristiques de conception, qui sont évaluables et suffisamment bien prédites par les analyses de basse fidélité. Des concepteurs expérimentés sont habitués à associer des objectifs de bas niveau à des bonnes conceptions. Un grand nombre d'études de cas ont été réalisées dans ce projet pour évaluer les capacités de la méthodologie MFDO proposée. Pour couvrir les différents types de roues de turbines Francis, trois roues différentes ont été choisies. Chacune d'elles avait ses propres défis de conception, qui devaient être pris en charge. Par conséquent, différentes formulations de problèmes d'optimisation ont été étudiées pour trouver la plus appropriée pour chaque problème en main.  ABSTRACT: This PhD project proposes a Multi-Fidelity Design Optimization (MFDO) methodology that aims to improve the design process efficiency. This methodology has been developed to tackle hydraulic turbine runner design problems, but it can be employed in other engineering optimizations, which have costly computational design processes. The MFDO approach splits the computational burden between low- and high-fidelity phases to integrate benefits of low- and high-fidelity evaluations, and to balance the cost and accuracy required by each level of fidelity. While the low-fidelity phase contains the iterative optimization loop, the high-fidelity phase evaluates promising design candidates and calibrates the low-fidelity optimization. The new MFDO approach proposes a flexible Territorial-Based Filtering Algorithm (TBFA) that connects the two levels of fidelity. This methodology addresses the problem that the low-fidelity optimization objective is different from the one in the high-fidelity phase. This problem is common in physics-based surrogate optimizations (e.g. using inviscid flow analyses instead of viscous flow evaluations). In fact, the real objective function is not assessable in the low-fidelity phase due to the lack of physics involved in the low-fidelity evaluations. Therefore, the dominant solutions of the low-fidelity optimization are not necessarily dominant from the real objective perspective. Hence, the TBFA has been developed to select a given number of promising candidates, which are dominant in their own territories and geometrically different enough. While high-fidelity objectives cannot be directly evaluated in the low-fidelity phase, some targets can be set by experienced designers for a subset of the design characteristics, which are assessable and sufficiently well predicted by low-fidelity analyses. The designers are accustomed to informally map good low-level targets to overall satisfying designs. A large number of case studies were performed in this project to evaluate the proposed MFDO capabilities. To cover different types of Francis turbine runners, three different runners were chosen. Each of them had its own special design challenges, which needed to be taken care of. Therefore, variant optimization problem formulations were investigated to find the most suitable for each problem at hand. Those formulations involved different optimization configurations built up from proper choices of objective functions, constraints, design variables, and other optimization features such as local or global exploration budgets and their portions of the overall computational resources.


identifier: Florant, M. (2015). Étude expérimentale du mélange solide-liquide : caractérisation de suspensions concentrées avec des solides surnageants  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Peu d'études ont été menées sur les systèmes de mélange triphasés. Dans un contexte d'optimisation de génération d'hydrates de dioxyde carbone, solides de masse volumique d'environ 900 kg/m3, une étude hydrodynamique a été conduite afin de déterminer l'effet de la présence croissante de particules inertes légères (ρ=860 kg/m3) et d'air sur la capacité de mélange de trois mobiles d'agitation différents, soient une turbine à 6 pales inclinées (PBT) en pompage vers le haut et vers le bas, une turbine à 6 pales droites de type Dispersimax avec et sans obstruction à l'aération et un agitateur de type Maxblend. Afin d'y parvenir, des mesures de couple ont été collectées en parallèle avec des données de pression à la paroi, une méthode encore inutilisée dans les conditions de l'étude. Ces dernières devaient indiquer des différences de régimes hydrodynamiques puisqu'elles consistaient essentiellement en mesures de pression dynamiques. Aucun changement d'écoulement n'a cependant pu être clairement observé par la pression, ni par la consommation de puissance mesurée indirectement par le couple développé par le système de mélange. Par ailleurs, des données de temps de mélange par tomographie à résistance électrique ont également été collectées dans le but d'aider à confirmer les résultats susmentionnés, ce qu'elles ont accompli. En effet, aucun changement notable de temps de mélange n'a pu être observé aux différentes fractions massiques de solides. Tous les essais ont été effectués à trois vitesses différentes pour chaque agitateur et en régime d'écoulement totalement turbulent. La fraction massique de solides a été variée de 0 à 25% massique. De manière générale, il est possible de s'apercevoir que l'agitateur de type Dispersimax est efficace en termes d'aération, mais l'est très peu en entraînement de particules surtout en raison du fait que le mobile devait être placé au bas de la cuve pour avoir une bonne dispersion et distribution gazeuse. La PBT placée près de la surface en configuration de pompage vers le haut était particulièrement performante pour tirer les particules dans la cuve et pour l'entraînement d'air par la surface, mais elle perdait rapidement cette capacité lorsqu'une couche de particules n'était pas incluse dans la cuve et flottait à la surface. Le mélangeur Maxblend était efficace comme la PBT, mais perdait rapidement son efficacité lorsqu'il commençait à être immergé. Mots-clés : Mélange triphasé, solides flottants, aération, mélangeur Maxblend, mélangeur dispersimax.  ABSTRACT: Very few studies have been conducted on three-phase mixing systems. In a context of carbon dioxyde hydrates (light solids of density around 860 kg/m3) formation optimization, a hydrodynamic study has been developed to determine the effect of the increasing presence of low-density inert particles (ρ=860 kg/m3) and air on the mixing performance of three different impellers : a 6 pitched-blades turbine, a six blades hollow Rushton turbine (Dispersimax) and a Maxblend mixer. Torque and wall pressure, a method still unutilized in the experiment's condition, data were collected and since these consisted essentially of dynamic pressure data, they were supposed to help identify changes in the hydrodynamic regime. Nevertheless no such changes have been clearly found either by the pressure data or the power consumption indirectly measured by the torque data. Furthermore, mixing time data by electrical resistance tomography (ERT) was collected to confirm the above-mentioned results, which they accomplished. In fact, no clear changes in mixing times have been denoted at the different solids concentrations. All the experiments were conducted at three different rotational speeds for each impeller and in completely developed turbulent flow regime. The solids mass fractions were varied from 0 to 25%.  The Dispersimax impeller was particularly good for bringing air into the tank, but was poor for dragging down floating particles mainly because it had to be placed in the bottom half of the tank to ensure good gas dispersion and distribution. The PBT, especially in up-pumping mode and near the free surface, was very efficient in particles drawdown and was also somewhat efficient in air entrainment from the free surface but lost quickly this ability when a thin layer of solids could not be dragged down. The Maxblend mixer was also efficient for both particles drawdown and air entrainment from the free surface but lost its efficiency as soon as it was submerged. Keywords : Three-phase mixing, floating particles, aeration, Dispersimax impeller, Maxblend mixer.