identifier: Turcot, G. (2022). Development of a Spherical Indentation Inverse Methodology to Estimate Bulk Tensile Properties of Metals for Applications to Welds  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le comportement des joints soudés en service est difficile à prédire en raison des propriétés élasto-plastiques inhomogènes à travers les différentes régions du joint. À travers le métal de base, la zone affectée thermiquement (ZAT) et le métal d'apport, la microstructure évolue en raison des vitesses de refroidissement variables pendant le processus de soudage. Des contraintes résiduelles apparaissent également lors du refroidissement du joint et du métal environnant. Ce travail a été mené dans le cadre d'un projet coopératif de recherche et développement visant à étudier la fabrication et la réparation de turbines hydrauliques par soudage par le biais d'analyses expérimentales et numériques. En particulier, un besoin a été identifié par l'Institut de Recherche d'Hydro-Québec pour la caractérisation des courbes de traction locales dans les régions soudées des turbines hydrauliques. Ces propriétés locales pourraient ensuite être utilisées dans des simulations pour évaluer l'intégrité du joint ou la qualité de la réparation de la soudure. Ce besoin du partenaire industriel a été la motivation première des travaux présentés dans cette thèse. L'indentation instrumentée est une méthode expérimentale de choix pour la caractérisation locale des joints soudés. En effet, il s'agit d'une technique pouvant être utilisée de manière non destructive, et qui engendre moins de difficultés expérimentales que les tests de millitraction. Cependant, plusieurs défis existent lors de l'analyse des résultats d'indentation, car les champs de contrainte et de déformation générés lors d'un test d'indentation ne sont pas uniformes et évoluent au cours du processus d'indentation. L'objectif général de cette thèse est le développement d'une méthodologie inverse polyvalente et fiable permettant l'estimation des courbes macroscopiques de contrainte vraie-déformation vraie des métaux par indentation sphérique qui pourrait être utilisée pour effectuer la caractérisation locale d'un joint soudé. Une revue de la littérature concernant l'indentation instrumentée démontre que plusieurs facteurs expérimentaux peuvent influencer les résultats d'indentation. Comme premier objectif spécifique, une étude expérimentale est jugée nécessaire pour s'assurer que les résultats d'indentation obtenus sont aussi fiables que possible pour la validation et les applications futures de la méthodologie inverse développée. Quatre aciers sont soumis à plusieurs tests concernant le processus de fabrication des échantillons, les méthodes de préparation de surface et l'installation des échantillons sur la machine d'indentation. La complaisance de la machine a été calculée à Cf = 0, 0229 μm par une méthode directe développée pour le montage expérimental utilisé. La correction des données expérimentales pour tenir compte de cette complaisance mène à une diminution de l'erreur sur le module d'élasticité estimé par la méthode d'Oliver et Pharr. Par exemple, dans le cas de l'acier SAE 1080, la norme de l'erreur diminue de 22,6% à 3,5% en appliquant la correction pour la complaisance. Une analyse de la littérature existante concernant l'estimation des propriétés élasto-plastiques par indentation démontre que la meilleure approche pour la réalisation de l'objectif principal est le développement d'une méthode inverse basée sur l'optimisation, qui nécessite des simulations par éléments finis. Une amélioration potentielle identifiée en étudiant les méthodes répertoriées de ce type est d'éviter d'utiliser un modèle d'écrouissage pré-défini pour estimer le comportement en traction du matériau étudié. Il est démontré dans cette thèse qu'aucun des modèles d'écrouissage les plus utilisés ne peut représenter avec précision la véritable courbe de contrainte vraie-déformation vraie de tous les matériaux. Cette approche est particulièrement intéressante pour l'application aux soudures, car la microstructure de celles-ci évolue et la forme globale de la courbe de traction peut changer d'une position à l'autre. La supposition d'un modèle d'écrouissage spécifique, constant pour toutes les positions locales testées, peut mener à des erreurs importantes. Les deuxième et troisième objectifs spécifiques de recherche sont définis comme le développement du modèle d'éléments finis d'indentation nécessaire à la méthode inverse, et le développement de la méthode inverse elle-même. Le défi majeur lié à ces objectifs est d'élaborer une approche pour l'estimation de la courbe contrainte vraiedéformation vraie des métaux sans la supposition d'un modèle d'écrouissage. Ceci constitue la principale nouveauté de ce travail de recherche. L'approche développée dans cette thèse repose sur une procédure d'optimisation qui extrait un groupe de six points sur la courbe contrainte vraie-déformation vraie distribués selon une progression géométrique dans l'espace des déformations, ainsi que le module d'élasticité. Un algorithme d'optimisation de recherche directe en boîte noire est utilisé et s'avère capable d'éluder les minima locaux. Une approche d'optimisation par fonction substitut est introduite comme étape préliminaire dans la méthodologie, qui permet de trouver un point de départ approprié pour l'étape finale d'optimisation de la fonction objectif. La performance de la méthodologie inverse développée est étudiée à travers des études numériques et expérimentales, en utilisant quatre aciers avec des comportements d'écrouissage différents. En utilisant des données numériques d'indentation, les courbes de contrainte vraiedéformation vraie estimées se situent à une différence maximale de 5,7% par rapport aux courbes de traction cibles correspondantes. Les erreurs maximales sur le module élastique extrait et la limite d'élasticité sont respectivement de 0,5% et 11,1%. À titre de comparaison, des applications de la méthode, mais en utilisant des modèles d'écrouissage populaires, sont également menées à l'aide de données d'indentation numériques. Il a été observé que l'utilisation d'un modèle d'écrouissage pré-défini mène toujours à une augmentation de l'erreur moyenne sur la zone d'écrouissage pour tous les modèles et matériaux étudiés. Cependant, le temps de calcul requis pour atteindre la convergence est jusqu'à dix fois plus court que lors de l'utilisation de l'approche développée sans modèle d'écrouissage. L'application expérimentale de la méthode aux quatre aciers étudiés effectuée dans ce travail de recherche fait également partie de ce qui se démarque de la littérature, dans laquelle les validations expérimentales sont rares. La méthodologie inverse proposée utilisant des données expérimentales d'indentation mène à des estimations précises des courbes de contrainte vraiedéformation vraie pour les aciers ASTM A516 et SAE 1080. Ces courbes présentent des erreurs moyennes sur les régions d'écrouissage de 0,89% et 3,9%, respectivement. Cependant, les courbes de traction estimées pour les aciers AISI 415 et AISI 304L ne sont pas précises, présentant des erreurs de 75,7% sur la limite d'élasticité pour AISI 415 et une erreur moyenne sur la zone d'écrouissage de 29% pour l'acier AISI 304L. La diminution des performances de la méthode pour ces deux aciers pourrait s'expliquer par des transformations de phase induites par les déformations qui ne sont pas incluses dans les modèles de comportement des matériaux utilisés dans les modèles par éléments finis. Cela pourrait aussi résulter de la différence d'échelle entre les essais de traction et les essais d'indentation, puisque le nombre moyen de grains échantillonnés pour l'AISI 304L et de blocs de martensite échantillonnés pour l'AISI 415 sont estimés à 4 et 8, respectivement. En comparaison, pour les aciers ASTM A516 et SAE 1080, cette estimation du nombre de grains échantillonnés s'éleve plutôt à 80 et 12, respectivement. Puisque le but global de ce travail de recherche est l'obtention d'une méthode inverse permettant de caractériser les propriétés locales d'une soudure, le dernier objectif spécifique est d'appliquer la méthode développée à une soudure. La méthode a ainsi été testée sur un cordon de soudure d'acier AWS ER70s-6 déposé sur une plaque d'acier ASTM A516. Ces métaux ont des comportements mécahniques similaires. La soudure a été étudiée à l'état brut de soudure et à l'état traité thermiquement pour relaxer les contraintes résiduelles. Des mesures de diffraction des rayons-X ont été réalisées par un laboratoire externe pour permettre leur inclusion dans la méthode développée et d'étudier leur effet sur les résultats obtenus. Il a été déterminé que de négliger les contraintes résiduelles présentes peut induire des erreurs significatives dans la méthodologie. Par exemple, pour une mesure dans une certaine position dans la ZAT d'une éprouvette à l'état brut de soudage, négliger la valeur mesurée de -78,8 MPa mène à une différence de 20,1% sur la limite d'élasticité estimée. Les essais d'indentation ont été réalisés sur des surfaces découpées sur les éprouvettes soudées, dans la direction parallèle à la soudure. Cette application a donc utilisé l'indentation instrumentée de manière destructive. Pour appliquer la méthode aux turbines hydrauliques, il faudrait réaliser les indentations sur la surface visible de la soudure, sans couper de matière, pour que les essais soient alors non-destructifs. Des équipements d'indentation portables existent et pourraient être utilisés directement sur les régions soudées des turbines. En observant les courbes contrainte vraie-déformation vraie estimées à travers les échantillons de soudure, on constate que la méthode est capable de capturer l'évolution des propriétés du matériau à travers le métal d'apport, la ZAT et le métal de base. De plus, ces variations sont telles qu'attendues en fonction de l'effet du procédé de soudage sur la microstructure du matériau dans les différentes zones de soudure. Les tendances observées dans les résultats obtenus à travers les soudures ainsi que la validation expérimentale de la méthode dans l'acier ASTM A516 soutiennent que cette méthodologie inverse proposée pourrait être appliquée pour caractériser les soudures faites d'aciers à faible teneur en carbone par le partenaire industriel, ou d'autres instituts de recherches et entreprises, avec confiance dans les résultats obtenus. De la recherche et du développement supplémentaires seront nécessaires pour étendre la méthode aux aciers austénitiques et martensitiques utilisés pour la fabrication et la réparation des turbines.  ABSTRACT: The behaviour of welded joints in service is difficult to predict due to the in-homogeneous elasto-plastic properties through the different regions of the joint. Through the base metal, the heat affected zone (HAZ) and the weld metal, the microstructure evolves due to varying cooling rates during the welding process. Residual stresses also appear during the cooling of the joint and its surroundings. This work was conducted within a research and development cooperative project aiming to study the fabrication and repair of hydraulic turbines by welding through experimental and numerical analyses. Particularly, a need was identified by the Hydro-Quebec Research Institute for the characterization of local tensile properties in welded regions of hydraulic turbines. These local properties could then be used in simulations to evaluate the integrity of the joint, or the quality of the weld repair. This requirement by the industrial partner was the prime motivation for the work presented in this thesis. Instrumented indentation is a prime candidate as an experimental method for the local characterization of welded joints. Indeed, it can be used in a non-destructive manner and it is not as experimentally challenging as milli-tensile tests. However, several challenges exist for the analysis of indentation results as the stress and strain fields induced during an indentation test are non-uniform and evolve during the indentation process. The general objective of this work is the development of a versatile and reliable inverse methodology for the estimation of local macroscopic true stress-true strain curves in metals by spherical indentation which can be applied to a weld. A literature review on instrumented indentation shows that several experimental factors can influence indentation results. As a first specific objective, an experimental study is deemed necessary to ensure that the indentation results obtained are as reliable as possible for the validation and future applications of the developed inverse methodology. Four steels are subjected to several tests regarding the fabrication process, surface preparation methods and installation of specimen on the indentation machine. The machine compliance was calculated to be Cf = 0.0229 μm through a direct method developed for the experimental setup used in this work. Correcting the experimental data for this value leads to an important decrease in the error on the estimated elastic modulus using Oliver and Pharr's method. For example, in the case of SAE 1080 steel, the magnitude of the error decreases from 22.6% to 3.5% when a correction for the compliance is included in the analysis. An analysis of the literature existing for the estimation of elasto-plastic properties by indentation demonstrates that the best approach for the completion of the general objective is the development of an optimization-based inverse method, which requires finite element simulations. A potential improvement to common methods of this type is identified as avoiding the use of a specific hardening model to estimate the tensile behaviour. It is demonstrated in this work that none of the most commonly used hardening models can accurately represent the true stress-true strain curve of all materials. This approach is particularly interesting for the application to welds, as their microstructures evolve, and the overall shape of the tensile curve could change from one position to the next. Pre-defining a hardening model, constant to all tested local positions, might lead to significant errors. The second and third specific objectives are set as the development of the indentation finite element model needed for the inverse method, and the development of the inverse method itself. The major challenge for these objectives is to find an approach for the estimation of the true stress-true strain curve of metals without the supposition of a pre-defined hardening model. This constitutes the main novelty of this work. The approach developed in this thesis relies on an optimization procedure which extracts a group of six points on the true stress-true strain curve distributed as per a geometric progression in the strain space, as well as the elastic modulus. A direct search black-box optimization algorithm is used and is shown to be capable of eluding local minima. A surrogate step is introduced in the methodology, which is a simplified version of the inverse problem, to find a suitable starting point. The performance of the developed inverse methodology is investigated through numerical and experimental studies, using four steels with different hardening behaviours. When using numerical indentation data, the estimated true stress-true strain curves lie within a maximum error of 5.7% from the corresponding target tensile curves. The maximum errors on the extracted elastic modulus and yield stress are 0.5% and 11.1%, respectively. For comparison, applications of the method by using popular hardening models were conducted using numerical indentation data. It was observed that using a hardening model always leads to an increase in the average error over the hardening region for all models and materials studied. However, the computational time required for reaching convergence is up to ten times shorter than when using the developed approach without a pre-specified hardening model. The experimental application of the method to the four studied steels is also a part of this work which stands out from the literature, in which experimental validations are rare. The proposed inverse methodology using experimental indentation data leads to accurate estimations of the true stress-true strain curves for ASTM A516 and SAE 1080 steels, with average errors over the hardening regions of 0.89% and 3.9%, respectively. However, the estimated tensile curves for AISI 415 and AISI 304L steels are not accurate, presenting errors of 75.7% on the yield stress for AISI 415 and an average error over the hardening region of 29% for AISI 304L. The decrease in the performance of the method for these two steels could be explained by strain induced phase transformations which are not included in the material behaviour models used in the finite element models. It could also result from the difference in scale between the tensile tests and the indentation tests, as the average number of grains sampled for AISI 304L and of martensite blocks sampled for AISI 415 were approximately 4 and 8, respectively. Comparatively, the number of grains sampled for ASTM A516 and SAE 1080 steels was around 80 and 12, respectively. Since the culmination of this work is to obtain an inverse method which can characterize the local properties in a weld, the last specific objective was to apply the developed method to a weld. The method was thus tested on an AWS ER70s-6 steel weld deposited on an ASTM A516 steel plate. The mechanical behaviour of these weld and base metals are similar. The weld was studied in the as welded state and in the heat treated state to relieve residual stresses. X-ray diffraction measurements were performed by an outside laboratory to enable their inclusion in the developed method and to study their effect on the extracted results. It was determined that neglecting residual stresses which are present can induce significant errors into the methodology. For example, in one position in the HAZ of a specimen in the as welded state, neglecting the measured value of -78.8 MPa leads to a difference of 20.1% in the estimated yield stress. The indentation tests were conducted on surfaces cut from the welded specimens, in the direction parallel to the weld. This application thus used instrumented indentation in a destructive way. To apply the method to hydraulic turbines, the indentation tests would need to be non-destructive. The indentations then need to be conducted on the visible surface of the weld, without cutting any material. Portable indentation equipment exists and could be used directly on the welded regions of the turbines. When observing the true stress-true strain curves estimated through the weld specimens, it is found that the method is able to capture the evolution of material properties through the weld metal, HAZ and base metal. Furthermore, these variations are as expected based on the welding process effect on the microstructure of the material within the weld zone. The approach developed in this work, which avoids the assumption of a specific hardening model, is shown to be beneficial in the application to a weld since the estimated tensile curves vary in shape through the weld zones. Particularly, some estimated true stress-true strain curves appear to have a linear hardening behaviour, while others resemble a power-law. Furthermore, a plastic plateau appears in certain positions. This variability in shape could not have been captured by an inverse method which assumes a hardening model. The observed trends in the results obtained in the welds as well as the experimental validation of the method in ASTM A516 support that the proposed inverse method could be applied to characterize welds made of low-carbon steels by the industrial partner, or other research institutes and companies involving research and development, with confidence in the obtained results. Further research and development will be required for an extension of the method to austenitic and martensitic steels used for the fabrication and repair of the turbines.


identifier: Ducharme, E. (2022). Étude des paramètres de conception d'un coupleur fusionné en verre fluoré  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les coupleurs fusionnés en fibre optique sont des composants essentiels à de nombreuses technologies optiques. À ce jour, seuls les systèmes fibrés en silice, et donc limités au visible et au proche infrarouge, se retrouvent hors laboratoire. Pour cause, les fibres optiques de verre fluoré, utilisées pour l'infrarouge moyen, présentent des propriétés mécaniques et chimiques qui nécessitent des conditions contrôlées lors de leur manipulation. Les procédés de fabrication de coupleurs fusionnés en silice ne conviennent pas aux verres fluorés. Dans ce projet, nous proposons l'utilisation d'une méthode de chauffage utilisant l'air chaud, pour fabriquer des composants fibrés. Parallèlement, nous suggérons un nouveau paramètre de conception : la viscosité des fibres devient l'assise du procédé de fabrication. Nous commençons d'abord par l'étude de la viscosité de deux fibres optiques de verre fluoré, le ZBLAN et le fluoroindate. En proposant un modèle théorique à un seul paramètre libre et une méthodologie minimaliste, nous arrivons à reconstruire la décroissance en viscosité autour des températures de procédé. Les résultats montrent une plage de température d'une largeur proche de 10 C pour la fabrication de composants pour les deux types de verre. À partir des données de viscosité, nous arrivons à faire des fibres effilées, une première étape vers les coupleurs fusionnés. Qui plus est, des fibres effilées de fluoroindate à très faibles pertes et sans cristallisation apparente sont fabriquées à une viscosité élevée de départ. Les essais expérimentaux s'avèrent moins concluants pour le ZBLAN, où la cristallisation demeure apparente, malgré un procédé à viscosité élevé. Enfin, l'étape cruciale de la fusion révèle rapidement les limites de la méthode de chauffage : le débit trop élevé sépare les fibres et empêche toute fusion. L'hypothèse de départ est que l'utilisation commune d'une méthode de chauffage à air chaud et de la viscosité comme paramètre de conception permettra la conception de coupleurs fusionnés en verre fluoré. Elle s'avère en partie vérifiée. Les résultats de fibres effilées de fluoroindate à faible pertes sont prometteuses. Un raffinement du système de chauffage sera un pas de plus vers les premiers coupleurs fusionnés en verre fluoré.  ABSTRACT: Fused optical fiber couplers are key to the commercialization of optical systems. To this day, most applications outside of laboratories are limited to visible and near-infrared wavelengths. As fabrication methods for fused optical fiber coupler were developed mainly for silica fibers – which are transparent from the visible to the near-infrared – they reveal to be unadapted for specialty fibers. Fluoride glass fibers are among those fibers. Fluoride glasses o˙er a solution to the optical limits of silica. They are transparent from the visible to the mid-infrared. However, various challenges remain. Fluoride glasses possess critical mechanical and chemical properties. Therefore, actual fabrication methods for fused fiber couplers are unadapted to fluoride glasses. We suggest a new method for making fluoride glass optical fiber coupler. This method is based on two elements. Firstly, we use a heat source of warm air to heat the fibers. Secondly, by studying the viscosity of two fluoride glasses : ZBLAN and fluoroindate, we propose a new design parameter that deals with the challenging properties of those glasses. The viscosity around the fabrication temperature is measured using a simple method requiring cheap and accessible material. We extract the viscosity from strain values using a single parameter theoretical model. Results show ranges for fabrication temperature for both fibers are close to 10 C. A viscosity study leads quickly to taper fabrication, the first step towards fused couplers. Using the viscosity as a design parameter, we fabricate various tapers in ZBLAN and fluo-roindate. The best results are fluoroindate tapers made at high viscosity : they show low optical loss combined with virtually no cristallisation. Experimental results for ZBLAN ta-pers are not as conclusive. Even at high viscosities, cristallisation was prominent on the tapers. The last step before fused couplers is the fusion process. The heat source is, however, unadapted. Its flow separates the fibers instead of gluing them one to another. This project is based on the hypothesis that using an adapted method of heating – hot air – combined with using viscosity as a design parameter would lead to fused optical fluoride glass fiber couplers. Results are promising as fluoroindate tapers were successfully made. The missing part is a refined heating system with a lower mass flow, bringing us one step closer to a low-loss fused fiber coupler in fluoride glass.


identifier: Yue, L. (2022). A Numerical Predictive Tool for Long-term Properties of Thermoplastics under Complex Operating Conditions  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec l'utilisation croissante des composites thermoplastiques dans l'ingénierie, il est devenu essentiel d'étudier les performances des matériaux dans diverses conditions de fonctionnement complexes. La température et le vieillissement physique affectent considérablement les propriétés mécaniques des thermoplastiques. Par conséquent, pour améliorer la précision de prédiction de la simulation numérique de composants soumis à des conditions de service réelles, la caractérisation des propriétés tridimensionnelles des thermoplastiques impliquant la température et le vieillissement physique est nécessaire mais a rarement été abordée. L'estimation des paramètres du modèle de la série de Prony, la loi du comportement viscoélastique thermodynamique la plus utilisée en ingénierie, à partir de données expérimentales est un problème mal posé. Cela signifie que les paramètres identifiés ne sont pas garantis d'être uniques et que les erreurs expérimentales affectent les résultats de l'identification. Pour résoudre ce problème, le nombre de paramètres est généralement fixé arbitrairement, ce qui peut conduire à un déséquilibre entre la précision de la prédiction et le temps de calcul des structures. Cette thèse propose une méthode robuste et automatisée d'identification des paramètres tridimensionnels pour les thermoplastiques impliquant l'effet de la température et du vieillissement physique. La robustesse signifie que la méthode doit être capable de gérer différents niveaux d'erreurs de mesure; l'automatisation signifie que la méthode ne doit pas nécessiter d'entrée utilisateur pour chaque ensemble de données. Cette méthode pourrait être utilisée comme un outil numérique prédictif pour guider les chercheurs et les ingénieurs à développer efficacement de nouveaux matériaux thermoplastiques pour des composants soumis à des conditions de service complexes. Tout d'abord, une méthode basée sur un cadre bayésien a été proposée pour déterminer les paramètres viscoélastiques tridimensionnels des thermoplastiques à température ambiante. Cette méthode permet de calculer la distribution des paramètres du modèle à partir des données expérimentales. Dans le cadre du paradigme bayésien, la distribution a posteriori peut être calculée en multipliant la fonction de vraisemblance et la fonction antérieure des paramètres. La fonction de vraisemblance a été construite sur la base de l'hypothèse selon laquelle l'erreur expérimentale est distribuée indépendamment de manière gaussienne. La loi a priori des paramètres a été imposée pour éviter les problèmes d'identifiabilité. La loi a posteriori a été estimée par simulation de Monte Carlo à chaîne de Markov (MCMC), ce qui a permis de surmonter le caractère mal posé du problème d'identification pour le modèle de série de Prony. Le résultat de l'identification était l'estimation du maximum a posteriori (MAP) de la distribution a posteriori des paramètres. Le nombre optimal de paramètres a été déterminé en fonction du critère d'information bayésien (BIC). La méthode a d'abord été appliquée à des données artificielles, montrant que les paramètres peuvent être identifiés avec succès à partir de données présentant différents niveaux d'erreur ajoutée. Ensuite, la méthode a été appliquée à des données expérimentales sur deux thermoplastiques, le polypropylène et le polyméthacrylate de méthyle. Les paramètres ont été identifiés à partir des données d'essais mécaniques sur des spécimens de type-I de la norme ASTM et validés expérimentalement en comparant les mesures de corrélation d'images numériques (DIC) et les simulations de la méthode des éléments finis (FEM) avec les paramètres identifiés pour des spécimens à géométrie complexe. Les résultats ont démontré la robustesse et l'adéquation de la méthode proposée appliquée aux thermoplastiques à température ambiante. Ensuite, une campagne d'essais de vieillissement physique non isotherme sur du polycarbonate a été réalisée pour caractériser l'effet de la température et du vieillissement physique sur les propriétés mécaniques. Les spécimens ont été fabriqués en moulage par injection. Les essais séquentiels de fluage-récupération ont été réalisés à différentes températures selon la méthodologie classique de Struik. Les essais mécaniques ont été réalisés avec un cadre d'essai de traction équipé d'une chambre environnementale à température ambiante (20 °C), 40 °C, 60 °C, 80 °C, 100 °C and 120 °C. Les déformations axiales et transversales ont été mesurées avec un extensomètre bi-axial. Il a été constaté que la température et le couteau de l'extensomètre peuvent provoquer des dérives de mesure dans l'essai sur des thermoplastiques à des températures élevées. Ainsi, une procédure robuste, simple et facile à suivre a été proposée pour corriger les dérives des mesures de l'extensomètre dans cette étape. Les résultats expérimentaux ont montré leur reproductibilité et leur fiabilité. Enfin, la méthode bayésienne proposée a été étendue pour identifier simultanément les paramètres du modèle tridimensionnel liés à la viscoélasticité, à la température et au vieillissement physique. Le principe de superposition temps-température (TTS) a été utilisé pour décrire les effets de la température et du vieillissement physique sur les propriétés mécaniques par des facteurs de glissement. Les paramètres viscoélastiques et les facteurs de glissement ont pu être identifiés simultanément à partir des données expérimentales avec la méthode étendue. Le modèle KAHR-te a ensuite été utilisé pour évaluer les facteurs de glissement pour les essais de vieillissement non isotherme à différentes températures. Cette méthode étendue a été appliquée aux données expérimentales pour le polycarbonate. Les résultats expérimentaux corroboraient les prédictions effectuées avec les paramètres déterminés. Cette thèse propose un outil numérique pour prédire les propriétés mécaniques tridimensionnelles à long terme des thermoplastiques impliquant la température et le vieillissement physique. Il pourrait être utilisé pour caractériser et développer des matériaux thermoplastiques dans des conditions de service complexes de manière efficace et précise.  ABSTRACT: With the increasing use of thermoplastic composites in engineering, like aerospace, it has become critical to investigate the performance of materials under various complex operating conditions. Temperature and physical aging significantly affect the mechanical properties of thermoplastics. Therefore, to improve the prediction accuracy of the numerical simulation of components subjected to real service conditions, characterizing the three-dimensional properties of thermoplastics involving temperature and physical aging is required but has rarely been addressed. Estimating parameters of the Prony series model, the most used thermodynamically based viscoelastic constitutive model in engineering, from experimental data is an ill-posed problem, which means that the identified parameters are not guaranteed to be unique and the experimental errors affect the identification results. To address this issue, the number of parameters is usually required to be fixed artificially, which may lead to an imbalance between the prediction accuracy and the computational cost in the simulation of the response of viscoelastic structures. This thesis aimed at proposing a robust and automated method to identify the threedimensional parameters for thermoplastics involving the effect of temperature and physical aging. Robustness means that the method should be able to handle different levels of measurement errors; Automation means that the method should not need user input for each data set. This method could be used as a predictive numerical tool to assist researchers and engineers in efficiently developing novel thermoplastic materials for components subjected to complex service conditions. First, a Bayesian framework based method was proposed for determining the three-dimensional viscoelastic parameters of thermoplastics at room temperature. This method aimed to compute the posterior distribution of the model parameters from experimental data. Under the Bayesian paradigm, the posterior distribution can be computed by multiplying the likelihood and prior function of parameters. The likelihood function was constructed based on the assumption that the experimental error is independently Gaussian distributed. The prior function was imposed to avoid identifiability issues. The posterior function was estimated by Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulation, which could overcome the illposedness of the identification problem for Prony series model. The identification result was the maximum a posteriori (MAP) estimate of the posterior distribution of the parameter. The optimal number of parameters was determined according to the Bayesian Information Criterion (BIC). The method was initially applied to artificial data, showing that the parameters can be successfully identified from data with different levels of added error. Then, the method was applied to experimental data on two thermoplastics, polypropylene and polymethyl methacrylate. Parameters were identified from mechanical test data on ASTM standard type-I specimens and experimentally validated by comparing Digital Image Correlation (DIC) measurements and Finite Element Method (FEM) simulations with the identified parameters for complex geometry specimens. The results demonstrated the robustness and adequacy of the proposed method applied to thermoplastics at room temperature. Then, a non-isothermal physical aging test campaign on polycarbonate was carried out to characterize the effect of temperature and physical aging on mechanical properties. The specimens were manufactured by injection molding. The sequential creep-recovery tests were performed at various temperatures based on the classical Struik's methodology. The mechanical tests were performed with a tensile testing frame equipped with an environmental chamber at room temperature (20 °C), 40 °C, 60 °C, 80 °C, 100 °C and 120 °C. The axial and transverse strains were measured with a bi-axial extensometer. It was found that the temperature and knife edge of the extensometer can cause measurement drifts in the test of thermoplastics at elevated temperatures. Thus, a robust, straightforward and easy-to-follow procedure was proposed to correct drifts of extensometer measurements in this step. The experimental results showed reproducibility and reliability. Finally, the proposed Bayesian method was extended to simultaneously identify the viscoelastic, temperature and physical aging related three-dimensional model parameters. The time-temperature superposition (TTS) principle was used to describe the effects of temperature and physical aging on mechanical properties by shift factors. The viscoelastic parameters and shift factors could be simultaneously identified from experimental data with the extended method. The KAHR-te model was then used to evaluate the shift factors for non-isothermal aging tests at different temperatures. This extended method was applied to the experimental data on polycarbonate. The experimental results were in good agreement with the predictions of the determined parameters. This thesis proposes a numerical tool to predict the long-term three-dimensional mechanical properties of thermoplastics involving temperature and physical aging. It could be used to characterize and develop thermoplastic materials under complex operating conditions efficiently and accurately.


identifier: Lemay, A. (2022). Impact of Soft Segmentation Training on Medical Image Segmentation and Uncertainty Representation  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec l'essor de l'apprentissage profond, une quantité croissante de modèles sont développés pour le domaine médical afin d'automatiser les tâches fastidieuses et de réduire les erreurs médicales causées par l'homme. Cependant, en raison de leur impact potentiel sur la vie et la santé humaine, des préoccupations éthiques grandissantes font jour concernant la fiabilité et la transparence des modèles d'apprentissage profond. Une solution potentielle à ces problèmes est d'entraîner des modèles générant des prédictions calibrées avec une représentation fidèle de l'incertitude. De cette manière, les prédictions les plus susceptibles d'être incorrectes ou de donner lieu à des désaccords entre les experts peuvent être isolées et corrigées. Cependant, les réseaux neuronaux de segmentation modernes sont généralement trop confiants, c'est-à-dire qu'ils expriment une grande certitude même pour les prédictions erronées, et ne tiennent pas compte de considérations importantes en imagerie médicale telles que l'e˙et de volume partiel, la variabilité inter-expert ou la représentation de l'incertitude en raison de la faible qualité des images ou du manque de données. Ceci est dû à la nature binaire de la segmentation qui est considérée comme une tâche de classification où chaque voxel se voit attribuer une valeur de 0 ou 1. Dans la première partie de ce travail, nous proposons une méthode appelée SoftSeg qui traite la segmentation comme une tâche de régression afin d'encourager la représentation des informations sur les volumes partiels, la variabilité inter-expert et la représentation de l'incertitude. L'approche de segmentation non-binaire vise à réduire la confiance excessive du modèle. Trois caractéristiques principales définissent SoftSeg par rapport aux modèles de seg-mentation conventionnels : (i) la préservation du caractère non-binaire, i.e., entre 0 et 1, des segmentations utilisées pour l'entraînement après le traitement et l'augmentation des don-nées, (ii) une fonction d'activation finale linéaire normalisée pour éviter la perte d'information contrairement aux fonctions sigmoïde ou softmax non linéaires, et (iii) l'utilisation d'une fonction de perte de régression plutôt que de classification comme Dice ou d'entropie croisée. Nous avons exploré ces nouvelles fonctionnalités et évalué l'impact de chacune d'entre elles lors d'une étude d'ablation. La combinaison de ces trois nouvelles caractéristiques a permis d'obtenir de meilleures performances de segmentation sur trois ensembles de données de seg-mentation publiquement accessibles : matière grise de la moelle épinière, lésions de sclérose en plaques du cerveau et tumeur du cerveau. Dans un deuxième article, trois méthodes de fusion d'annotations d'expert, soit STAPLE, moyennage et l'échantillonnage aléatoire (c'est-à-dire sans fusion), pairées à SoftSeg ou à un entraînement conventionnel, ont été comparées. Les approches ont été étudiées sur deux ensembles de données avec respectivement quatre et sept annotations d'évaluateurs pour chaque image : segmentation de la matière grise et blanche de la moelle épinière et lésions de la sclérose en plaques du cerveau. La préservation de l'incertitude due au désaccord entre les évaluateurs, la calibration des prédictions, la qualité visuelle et les performances de segmentation ont été évaluées. Bien qu'il n'y ait pas eu de consensus entre les ensembles de données en ce qui concerne la meilleure méthode de fusion des annotations d'expert, les résultats étaient équivoques en ce qui concerne le type d'entraînement. Nos résultats indiquent que SoftSeg a produit une prédiction avec une meilleure calibration ainsi qu'une préservation de la variabilité inter-expert accrue, et ce, avec une performance de segmentation améliorée, ou minimalement équivalente. Toutes les approches étudiées dans ce travail ont été répétées 10 à 40 fois avec des séparations aléatoires des données pour éviter un biais au niveau des données de test et garantir des di˙érences statistiques (valeur p < 0,05). Toutes les recherches e˙ectuées dans ce projet ont été réalisées et rendues accessibles via le projet en libre accès ivadomed (https://ivadomed. org).  ABSTRACT: With the rise of deep learning, an increasing amount of models are being developed and researched for the medical field to automate tedious tasks and mitigate medical errors. How-ever, due to the sensitive nature of medical tasks and their impact patient's health, increasing ethical concerns are arising regarding reliability and transparency of deep learning models. A potential avenue to address these issues is to have calibrated predictions with truthful uncer-tainty representation. Reliable uncertainty representation help identify predictions that are prone to model failure or inter-rater disagreement. However, modern segmentation neural networks are usually overconfident, i.e., express a high certainty even for incorrect predic-tions, and disregard important considerations in medical imaging such as partial volume e˙ect, inter-rater variability, or uncertainty representation due to low image quality or lack of data. This is partly due to the inherent binary nature of segmentation that is considered a classification task where each voxel is attributed a value of 0 or 1. In the first part of this work, we propose a method named SoftSeg that treats segmen-tation as a regression task to encourage the representation of partial volume information, inter-rater variability, and uncertainty. The soft segmentation approach aims at mitigating overconfidence. Three main features characterize SoftSeg compared with the conventional segmentation models: (i) preservation of soft input labels following data processing and aug-mentation, (ii) a normalized linear final activation to avoid information loss instead of the non-linear sigmoid or softmax, and (iii) the use of a regression loss function rather than the classification Dice or cross-entropy loss. We explored these new features and evaluated the impact of each feature through an ablation study. The combination of these three new fea-tures resulted in better segmentation performance on three publicly available segmentation datasets: spinal cord gray matter, brain multiple sclerosis lesions, and brain tumor. In a second article, three label fusion methods, STAPLE, average, and random sampling (no fusion), paired with SoftSeg or a conventional training framework, were compared. The approaches were studied on two datasets with respectively four and seven rater annotations for each image: spinal cord gray and white matter segmentation and brain multiple sclerosis lesions. The uncertainty preservation due to inter-rater disagreement, the calibration of predictions, the visual predictions, and the segmentation performance were evaluated. While there was no consensus between datasets in terms of the best label fusion method, results were equivocal regarding the training framework. Our results indicate that SoftSeg yielded prediction with better calibration and inter-rater variability preservation with higher, or minimally equivalent, segmentation performance. All the approaches studied in this work were repeated 10 to 40 times with varying random seeds to avoid data splitting biases and ensure statistical di˙erences (p-value < 0.05). All the research done in this project was developed and made accessible via the open-source project ivadomed (https://ivadomed.org).


identifier: Lopez Poncelas, M. (2022). Modélisation Biomécanique de la correction Sagittale du Rachis : application pour réduire les risques de défaillances jonctionnelles proximales  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les déformations du rachis chez l'adulte représentent un éventail de pathologies complexes du système musculosquelettique, principalement observées chez les personnes de plus de 50 ans, et qui ont un impact significatif et mesurable sur la santé. Dans les cas de déformations sévères, une instrumentation chirurgicale avec arthrodèse reste le traitement le plus efficace pour rétablir un alignement correct de la colonne vertébrale et améliorer la qualité de vie du patient. Elles consistent à ancrer des implants aux vertèbres, généralement des vis pédiculaires, pour les fixer à des tiges métalliques afin de restaurer un alignement vertébral "normal" et un équilibre sagittal, et obtenir à terme une fusion de la colonne vertébrale. L'une des complications fréquentes de l'instrumentation est la cyphose jonctionnelle proximale (Proximal Junctional Kyphosis, PJK), une déformation cyphotique pathologique du segment vertébral proximal adjacent à l'instrumentation vertébrale, avec des incidences rapportées entre 10 % et 40 %. En général, elle a un impact clinique limité pour le patient car elle est souvent considérée comme la réponse naturelle du segment jonctionnel à l'instrumentation. Avec une incidence pouvant atteindre 35%, la défaillance de la jonction proximale (Proximal Junctional Failure, PJF) est une déformation hypercyphotique connexe, mais plus aiguë, qui implique une défaillance mécanique (telle qu'une fracture du corps vertébral de la vertèbre supérieure instrumentée (Upper Instrumented Vertebra, UIV) ou juste au-dessus (UIV+1), une rupture osseuse-ligamentaire postérieure ou un délogement d'un implant ou même l'arrachement de l'instrumentation et/ou le bris des tiges au niveau de l'UIV), et constitue une complication importante après l'instrumentation. Les PJF représentent un phénomène multifactoriel rendant leur mitigation complexe. Des études cliniques ont identifié de nombreux facteurs de risques liés aux PJF pouvant être intrinsèques aux patients (âge, densité osseuse, etc…), aux stratégies chirurgicales (dissection ligamentaire, correction sagittale, etc…) ou au type d'instrumentation choisie (type d'implant, matériau des tiges, etc…). Les études biomécaniques concernant les stratégies de restauration du profil sagittal ont démontré qu'une sur-correction globale ou de la lordose lombaire augmentait les risques de PJF. Le profil sagittal optimal et l'effet des corrections locales des courbes sur les risques de défaillances restent toutefois à déterminer. Des études biomécaniques ont également été réalisées sur différents types d'instrumentation. L'utilisation d'implants plus souples que les vis pédiculaires tels que des crochets ou des bandes souples (tethers) a démontré une transition de mobilité plus lisse pouvant limiter les risques de défaillances. L'effet du type d'implant sur la distribution des charges au niveau du segment proximal demeure incertain. L'utilisation de tiges avec un diamètre transitionnel permet de diminuer les risques selon certaines études. L'effet du matériau reste toutefois controversé. L'objectif général de ce projet doctoral était d'évaluer l'impact biomécanique de différentes stratégies de corrections, telles que le choix des implants ou la forme des tiges, afin d'améliorer notre compréhension des PJF et de diminuer les risques mécaniques pouvant entrainer cette complication. Cette thèse visait à répondre à trois hypothèses reliées à des paramètres intervenant dans les risques de PJF comme la rigidité des implants proximaux ou la distribution des courbes dans le plan sagittal. Pour y parvenir, trois objectifs de recherche spécifiques ont été précisés: 1) Développer et valider un modèle biomécanique de la chirurgie d'instrumentation du rachis incluant les paramètres associés à la correction des courbes sagittales et aux systèmes d'instrumentation. 2) Déterminer l'effet de la distribution de lordose lombaire sur les risques de défaillances jonctionnelles proximales. 3) Comparer différents systèmes d'ancrage vertèbre-tige et analyser l'amplitude ainsi que la distribution des charges afin de déterminer une configuration minimisant les risques de défaillances jonctionnelles proximales. Une méthodologie numérique développée afin de répondre aux objectifs de recherche s'est appuyée sur l'analyse de résultats chirurgicaux à partir de reconstructions tridimensionnelles du rachis de patients, ainsi que sur l'analyse de simulations numériques de chirurgies d'instrumentation rachidienne à l'aide d'un modèle multi-corps biomécanique personnalisé. Le premier volet de cette thèse a inclus la validation du modèle numérique des chirurgies d'instrumentation du rachis utilisé pour l'analyse de risques de PJF. Pour ce faire, le cadre de la norme V&V40 :2018 a été suivi afin de déterminer les activités de vérification et validation à réaliser. Afin d'établir la crédibilité du modèle numérique pour l'analyse comparative de différentes stratégies de correction sur les risques de PJF, une étude comparative a été conçue pour tester la sensibilité du modèle. A cette fin, une cohorte de patients ayant subi une chirurgie d'instrumentation et fusion a été sélectionnée rétrospectivement et les radiographies préopératoires ont été employées pour réaliser les reconstructions tridimensionnelles des patients. La cohorte a été divisée en deux groupes : cinq patients n'ayant pas eu de complications postopératoires (asymptomatiques) et six patients ayant développé une PJF dite radiographique (défaillance par hypercyphose). La chirurgie spécifique, la posture érigée et un mouvement de flexion ont été simulés pour chaque patient et les indicateurs mécaniques des risques de PJF (i.e. forces et moments supportés par le segment jonctionnel proximal et l'instrumentation) ont été mesurés. Les indicateurs mécaniques du groupe PJF étaient plus importants que ceux du groupe asymptomatique, particulièrement pour le moment sagittal supporté par l'unité fonctionnelle adjacente (15.5 vs. 8.7Nm, p<0.05). Une analyse de sensibilité sur certains paramètres d'incertitudes tels que la rigidité des unités fonctionnelles ou la position des implants a été réalisée sur le groupe asymptomatique. Une corrélation modérée a été observée entre la rigidité des unités fonctionnelles et le moment sagittal du segment adjacent (r=0.57) et aucune corrélation significative n'a été mesurée. La quantification des incertitudes de cette analyse de sensibilité a démontré que les indicateurs mécaniques restaient sous le seuil de rupture et dans la fourchette des charges physiologiques. Le second volet de cette thèse visait à évaluer l'effet biomécanique de la correction de la distribution de lordose sur les risques de PJF. Une cohorte de cinq patients ayant une forte incidence pelvienne et ayant subi une chirurgie d'instrumentation et fusion pour restaurer leur profil sagittal (principalement due à une hypolordose) a été sélectionnée rétrospectivement. Pour chaque patient, trois scénarios de correction ont été comparés; une ostéotomie de soustraction pédiculaire (Pedicle Subtraction Osteotomy, PSO) réalisée aux vertèbres L3, L4 ou L5 ont été simulé. Pour chaque patient, l'alignement global a été maintenu constant entre les différents niveaux de PSO par un ajustement de l'orientation pelvienne et la même amplitude de correction de lordose (i.e. angle d'ostéotomie et angle L1-S1) a été appliquée. Les indicateurs mécaniques des PJF ont été mesurés après simulation de la chirurgie, de la posture érigée et d'un mouvement de flexion. Aucune différence significative n'a été observée après comparaison des différents niveaux de PSO pour chaque indicateur mécanique. Une analyse de sensibilité a été réalisée entre les indicateurs mécaniques et différents paramètres radiographiques postopératoires. L'indice de distribution de lordose (L4-S1/L1-S1) n'était pas corrélé significativement aux charges supportées par le rachis ou l'instrumentation. Une augmentation du SVA (Sagittal Vertical Axis) était corrélée à une augmentation du moment fléchissant supporté par les tiges (r=0.52, p<0.05) démontrant qu'une sous-correction du profil sagittal pouvait augmenter les risques de bris de tiges. Le moment fléchissant supporté par les tiges était également corrélé avec une diminution de la pente sacrée (Sacral Slope, SS) et une augmentation de la jonction thoraco-lombaire (T11-L2) (r=-0.56 et 0.57, p<0.05), paramètres liés à une correction de lordose plus crâniale. Une corrélation négative entre SS et le moment fléchissant supporté par l'unité fonctionnelle adjacente a également été mesurée (r=-0.71, p<0.05). Les paramètres radiographiques liés à des ajustements de courbures tels que la jonction thoraco-lombaire ou des mécanismes de compensation tels que la rétroversion pelvienne associés à des ostéotomies plus distales ont été identifiés comme minimisant potentiellement les risques de PJF dans cette étude. Cette étude a démontré que la balance sagittale est un principe complexe ne pouvant être résumé à l'analyse d'un seul facteur comme la distribution de lordose. Le dernier volet de cette thèse visait à évaluer l'effet biomécanique de différents types d'implants et de tiges sur les risques de PJF. La distribution des charges au niveau du segment jonctionnel a été étudiée pour différents types d'implants (vis pédiculaires, crochets supralaminaires et vis pédiculaires avec des bandes sublaminaires à la vertèbre adjacente avec différentes pré-tensions) et tiges (titane 5.5mm de diamètre et cobalt-chrome 6 et 5.5mm de diamètre). Un plan d'expériences complet a été réalisé pour toutes ces configurations sur une cohorte de 6 patients adultes. La transition des moments dans le plan sagittal était plus lisse lorsque l'instrumentation incluait des bandes sublaminaires avec faible pré-tension (50N) comparativement aux vis pédiculaires seules avec un moment sagittal supporté par l'unité fonctionnelle adjacente de 8.1Nm au lieu de 15.6Nm. Des bandes sublaminaires avec une plus forte pré-tension (350N) diminuaient également le moment sagittal à la vertèbre adjacente (2.5Nm) mais augmentaient significativement le moment supporté deux niveaux au-dessus de l'instrumentation (UIV+2) (17.7Nm vs 15.5Nm, p<0.05) ainsi que le moment fléchissant supporté par les tiges (5.7 vs. 0.6Nm). La pré-tension des bandes sublaminaires lors de leur utilisation pour améliorer la transition des charges dans le rachis a été identifié comme un facteur prédominant dans cette étude. Les crochets supralaminaires ainsi que l'effet des tiges n'ont pas révélé de différence significative sur la distribution des charges au niveau des unités fonctionnelles. Les crochets supralaminaires augmentaient les moments à la jonction os-implant comparativement aux vis pédiculaires (2.6 vs. 0.7Nm, p<0.05) ou lorsque les tiges étaient en cobalt-chrome comparativement à celles en titane (1.0 vs 0.7Nm, p<0.05). Ce projet doctoral a mis en évidence l'importance du choix de l'instrumentation ainsi que de la correction du profil sagittal pour minimiser les risques de défaillances jonctionnelles proximales. La perspective de ces travaux pour les chirurgiens leur permet d'envisager l'amélioration des stratégies chirurgicales et la mitigation des risques de défaillances jonctionnelles.  ABSTRACT: Adult spinal deformities cover a range of complex pathologies of the musculoskeletal system, mainly seen in people over 50 years of age, and have a significant and measurable impact on health. In cases of severe deformities, surgical instrumentation with arthrodesis remains the most effective treatment to restore correct spinal alignment and improve patient's quality of life. These procedures consist of attaching implants to the vertebrae, usually pedicle screws, to affix them to metal rods in order to restore "normal" spinal alignment and sagittal balance, and ultimately achieve spinal fusion. A common complication following instrumentation surgery is proximal junctional kyphosis (PJK), a pathologic kyphotic deformity of the proximal vertebral segment adjacent to the vertebral instrumentation, with reported incidences between 10% and 40%. In general, it has limited clinical impact on the patient because it is often considered the natural response of the junctional segment to instrumentation. With an incidence up to 35%, proximal junction failure (PJF) is a related, but more acute, hyperkyphotic deformity involving mechanical failure (such as vertebral body fracture of the upper instrumented vertebra (UIV) or just above (UIV+1), posterior bone-ligament rupture or implant dislodgement, or even implant pullout and/or rod breakage at the UIV) and is a significant complication after instrumentation. PJF is a multifactorial phenomenon, making its mitigation complex. Clinical studies have identified numerous PJF-related risk factors that may be intrinsic to the patient (age, bone density, etc.), to the surgical strategies (ligament dissection, sagittal correction, etc.) or to the type of instrumentation chosen (type of implant, rod material, etc.). Biomechanical studies regarding sagittal profile restoration strategies have shown that overcorrection of the global alignment or lumbar lordosis increases the risk of PJF. However, the optimal sagittal profile and the effect of local curve corrections on failure risk remain to be determined. Biomechanical studies have also been performed on different types of instrumentation. The use of implants more flexible than pedicle screws, such as hooks or flexible bands (tethers), has shown a smoother mobility transition that may limit the risk of failure. The effect of implant type on load distribution at the proximal segment remains unclear. The use of rod with a transitional diameter has been shown to reduce risk. However, the effect of material remains controversial. The general objective of this project was to evaluate the biomechanical impact of different correction strategies, such as implant choice or rod shape, in order to improve our understanding of PJF and to decrease the mechanical risks that can lead to this complication. This thesis aimed to address three hypotheses related to parameters involved in the PJF-related risks such as proximal implant stiffness or sagittal plane curve distribution. To achieve this, three specific research objectives were specified: 1) Develop and validate a biomechanical model of spinal instrumentation surgery including parameters associated with sagittal curve correction and instrumentation systems. 2) Determine the effect of lumbar lordosis distribution on proximal junctional failure risks. 3) Compare different vertebra-rod anchor systems and analyze the amplitude and distribution of loads to determine a configuration that minimizes the risk of proximal junctional failures. A numerical methodology developed to address the research objectives was based on the analysis of surgical results from three-dimensional reconstructions of patients' spines, as well as on the analysis of numerical simulations of spinal instrumentation surgeries using a personalized biomechanical multibody model. The first section of this thesis included the validation of the numerical model of spinal instrumentation surgeries used for the PJF risk analysis. To accomplish this, the V&V40 :2018 framework was followed to determine the verification and validation activities to be performed. To establish the credibility of the numerical model for the comparative analysis of different correction strategies on PJF risks, a comparative study was designed to test the sensitivity of the model. To this end, a cohort of patients who underwent fusion surgery was retrospectively selected and preoperative radiographs were used to perform three-dimensional reconstructions of the patients. The cohort was divided into two groups: five patients who had no postoperative complications (asymptomatic) and six patients who developed radiographic PJF (hyperkyphotic failure). Specific surgery, erect posture, and a flexion motion were simulated for each patient, and mechanical indicators of PJF risk (i.e., forces and moments held by the proximal junctional segment and instrumentation) were measured. Mechanical indicators in the PJF group were greater than those in the asymptomatic group, especially for the sagittal moment supported by the adjacent functional unit (15.5 vs. 8.7Nm, p<0.05). A sensitivity analysis on some uncertainty parameters such as functional unit stiffness or implant position was performed on the asymptomatic group. A moderate correlation was observed between the stiffness of the functional units and the sagittal moment of the adjacent segment (r=0.57), and no significant correlation was measured. Quantification of the uncertainties in this sensitivity analysis demonstrated that the mechanical indicators remained below the failure thresholds and within the physiological loads range. The second section of this thesis aimed to evaluate the biomechanical effect of lordosis distribution correction on PJF risks. A cohort of five patients with high pelvic incidence who underwent fusion surgery to restore their sagittal profile (primarily due to hypolordosis) was retrospectively selected. For each patient, three correction scenarios were compared; a pedicle subtraction osteotomy (PSO) performed at L3, L4, or L5 was simulated. For each patient, global alignment was kept constant between PSO levels by pelvic orientation adjustment and the same amount of lordosis correction (i.e. osteotomy angle and L1-S1 angle) was applied. The mechanical indicators of the PJF were measured after simulated surgery, erect posture, and a flexion movement. No significant differences were observed after comparison of the different PSO levels for each mechanical indicator. Sensitivity analysis was performed between the mechanical indicators and different postoperative radiographic parameters. The lordosis distribution index (L4-S1/L1-S1) was not significantly correlated with spinal or instrumentation loads. An increase in the Sagittal Vertical Axis (SVA) was correlated with an increase in the bending moment supported by the rods (r=0.52, p<0.05) demonstrating that an under-correction of the sagittal profile could increase the risk of rod breakage. The bending moment held by the rods was also correlated with a decrease in sacral slope (SS) and an increase in thoracolumbar junction (T11-L2) (r=-0.56 and 0.57, p<0.05), parameters related to a more cranial lordosis correction. A negative correlation between SS and the bending moment held by the adjacent functional unit was also measured (r=-0.71, p<0.05). Radiographic parameters related to curvature adjustments such as the thoracolumbar junction or compensatory mechanisms such as pelvic tilt associated with more distal osteotomies were identified as potentially minimizing the PJF risk in this study. This study demonstrated that sagittal balance is a complex principle that cannot be summarized by the analysis of a single factor such as lordosis distribution. The final section of this thesis aimed to evaluate the biomechanical effect of different implant types and rod stiffness on PJF risks. The load distribution at the junctional segment was studied for different implant types (pedicle screws, supralaminar hooks and pedicle screws with sublaminar bands at the adjacent vertebra with different pre-tensions) and rods (titanium 5.5mm of diameter and cobalt-chromium 6 and 5.5mm of diameter). A full factorial design of experiments was performed for all these configurations on a cohort of 6 adult deformity patients. The transition of moments in the sagittal plane was smoother when the instrumentation included sublaminar bands with low pretension (50N) compared with pedicle screws alone with a sagittal moment supported by the adjacent functional unit of 8.1Nm instead of 15.6Nm. Sublaminar bands with higher pretension (350N) also decreased the sagittal moment at the adjacent vertebra (2.5Nm) but significantly increased the moment supported two levels above the instrumentation (UIV+2) (17.7Nm vs. 15.5Nm, p<0.05) as well as the bending moment supported by the rods (5.7 vs. 0.6Nm). Pre-tensioning of the sublaminar bands when used to improve load transition in the spine was identified as a predominant factor in this study. Supralaminar hooks as well as the effect of rods did not reveal any significant difference on load distribution at the functional unit level. Supralaminar hooks increased moments at the bone-implant interface compared to pedicle screws (2.6 vs. 0.7Nm, p<0.05) or when the rods were cobalt-chromium compared to titanium (1.0 vs. 0.7Nm, p<0.05). This project highlighted the importance of the choice of instrumentation as well as the correction of the sagittal profile to minimize the risk of proximal junctional failures. The perspective of this work for surgeons allows them to consider the improvement of surgical strategies and the mitigation of the risks of junctional failures.


identifier: Deiminiat, A. (2022). Evaluating Hydro-Mechanical Properties of Waste Rocks by Considering Scale Effect  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les roches stériles extraites des mines sont généralement entreposées en surface sous forme de haldes à roches stériles. Elles sont utilisées de plus en plus comme matériaux de construction pour des constructions sur site ou hors site minier. La détermination de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale pour assurer une conception et construction économique et stable des infrastructures faites de roches stériles, qui constitue l'objectif final de cette thèse. Il s'agit cependant d'une tâche difficile car les stériles ont généralement une gradation largement étalée avec des particules aussi petites que des silts et aussi grandes que des blocs en mètres. La revue de la littérature montre qu'il existe un grand nombre de publications sur la détermination de la résistance au cisaillement des remblais rocheux, mais très peu sur les stériles. La revue de la littérature montre également que la majorité des travaux publiés sur les stériles ont été réalisés en suivant des méthodes d'essai développées en génie civil. Par conséquent, la norme ASTM D3080/D3080M-11 a été largement utilisée dans les essais de cisaillement direct sur des roches stériles alors que la norme ASTM D2434-19 a été largement utilisée pour les essais de perméabilité à charge hydraulique constante. La première stipule que le ratio de la largeur d'un échantillon (W) par rapport à la taille minimum des particules (dmax) ne doit pas être inférieur à 10, tandis que la seconde exige que le ratio du diamètre d'un échantillon (D) par rapport au rapport à la dmax soit égal ou supérieur à 8 ou 12, dépendamment du pourcentage des particules grossières. Ces exigences peuvent être atteintes facilement pour les matériaux à particules fines. Mais elles constituent des obstacles considérables pour les matériaux granulaires grossiers comme le gravier, les remblais rocheux et les roches stériles lors des essais en laboratoire. Pour surmonter ces difficultés, plusieurs techniques en échelle réduite ont été proposées et largement utilisées en éliminant les particules trop grandes. En plus, le ratio minimum requis de 10 pour le W/dmax donné par l'ASTM D3080/D3080M-11 a été utilisé dans presque tous les essais de cisaillement direct, tandis que le rapport minimum requis de 10 ou de 12 pour le D/dmax stipulé par l'ASTM D2434-19 a été largement utilisé dans les essais de perméabilité à charge hydraulique constante, même si la validité de ces rapports minimum requis n'est jamais clairement démontrée. Le premier objectif spécifique (OS) de cette thèse est d'identifier une fiable technique en échelle réduite qui peut être utilisée pour déterminer correctement la résistance au cisaillement des matériaux à particules grossières, tels que le gravier, les remblais rocheux et les roches stériles. Le deuxième OS est de vérifier la validité du rapport minimum requis de la norme ASTM D2434-19 pour les échantillons et d'identifier un rapport minimum requis suffisamment grand qui peut être utilisé pour obtenir une mesure fiable de la conductivité hydraulique saturée. Pour atteindre ces OSs, une revue de littérature a d'abord été réalisée sur les résultats publiés et obtenus par des essais de cisaillement direct sur des matériaux granulaires grossiers. On a constaté que la méthodologie utilisée antérieurement par les chercheurs pour vérifier la validité ou invalidité des techniques en échelle réduite dans l'estimation de la résistance au cisaillement des matériaux de terrain est inappropriée. La fiabilité de toutes les techniques en échelle réduite reste inconnue, même si la technique en échelle réduite parallèle est la plus populaire et la plus utilisée. En plus, le rapport minimum requis de 10 pour le W/dmax stipulé dans la norme ASTM D3080/D3080M-11 pour les essais de cisaillement direct n'est pas assez grand pour éliminer l'effet de taille d'échantillon (ETE). La fiabilité de tous les résultats publiés précédemment et obtenus en utilisant ce rapport minimum requis devient discutable. Afin de savoir quel est le rapport minimum requis de W/dmax pour éliminer l'ETE, une série d'essais de cisaillement direct a été réalisée en utilisant trois boîtes de cisaillement direct de tailles différentes. De nouveau, les résultats montrent que le rapport minimum requis de 10 pour le W/dmax n'est pas assez grand pour éliminer l'ETE. En revanche, un rapport de W/dmax égal ou supérieur à 60 semble être suffisamment grand pour éviter l'ETE dans les essais de cisaillement direct. Ce rapport a été appliqué ensuite pour évaluer la fiabilité des techniques en échelle réduite par une série d'essais de cisaillement direct réalisés sur des échantillons de « terrain » et des échantillons d'échelle réduite avec différentes dmax, préparés en appliquant les techniques en échelle réduite tronquée et parallèle. Les angles de frottement des échantillons d'échelle réduite ayant des valeurs de dmax inférieures à celles des échantillons de terrain ont été utilisés pour établir des équations prédictives entre l'angle de frottement et la dmax pour chaque technique en échelle réduite. Ces équations ont ensuite été utilisées pour prédire les angles de frottement des échantillons de terrain. Les comparaisons entre les angles de frottement mesurés et prédits des échantillons de terrain indiquent que la technique en échelle réduite tronquée peut être utilisée pour prédire les angles de frottement des échantillons de terrain, et que la technique en échelle réduite parallèle ne permet pas de prédire les angles de frottement des échantillons de terrain. Bien que les résultats précédents montrent un aperçu intéressant de la validité ou de 'invalidité des techniques en échelle réduite, on constate que les échantillons de terrain ont été limités à une valeur de 5 mm pour la dmax afin de respecter le rapport minimum requis de 60 pour le W/dmax avec la grande boîte de cisaillement direct spéciale de 30 cm de largeur. La question qui se pose est comment obtenir l'angle de frottement des échantillons de terrain dont la valeur de dmax est supérieure à 5 mm sans appliquer les techniques en échelle réduite. Pour répondre à cette question, une équation basée sur les résultats expérimentaux disponibles a été proposée entre les angles de frottement normalisés par l'angle de frottement des échantillons suffisamment grands et le ratio de W/dmax. Avec cette équation et l'angle de frottement mesuré avec un échantillon ayant un W/dmax < 60, l'angle de frottement du même échantillon à W/dmax = 60 peut être prédit. Afin de tester la validité de cette méthode proposée, on a profité de théorie selon laquelle l'angle de repos d'un matériau correspond à l'angle de frottement interne du même matériau à l'état le plus lâche. Une série d'essais de cisaillement direct a donc été réalisée en plaçant lentement les matériaux dans des boîtes de cisaillement pour obtenir un échantillon à l'état le plus lâche. Une autre série d'essais en tas a été réalisée pour obtenir l'angle de repos des différents échantillons. Les comparaisons entre les angles de frottement mesurés et prédits indiquent que la méthode proposée peut être utilisée pour prédire les angles de frottement des matériaux granulaires grossiers ayant une valeur dmax supérieure à 5 mm. Tout comme l'analyse des propriétés mécaniques des matériaux granulaires grossiers, une analyse a également été faite sur les mesures existantes de conductivité hydraulique saturée. Presque toutes les études antérieures ont été réalisées en utilisant le rapport minimum requis de 8 ou 12 pour le D/dmax spécifié par l'ASTM D2434-19 pour les essais de perméabilité à charge hydraulique constante des matériaux granulaires, même si la fiabilité du rapport minimum requis de 8 ou 12 pour le D/dmax n'a jamais été testée. Pour étudier si le rapport minimum requis de 8 ou 12 est suffisamment grand pour éviter tout ETE et pour identifier le rapport minimum requis de D/dmax pour éviter tout ETE, des essais de perméabilité à charge constante ont été réalisés en utilisant quatre colonnes de dimensions différentes sur quatre échantillons avec différentes valeurs de dmax. Les rapports de D/dmax des échantillons testés varient entre 13 et 252. Les résultats montrent de nouveau que le rapport minimum requis de 12 est trop petit pour éviter l'ETE dans les essais de perméabilité à charge hydraulique constante. Les résultats expérimentaux montrent plutôt qu'une valeur de D/dmax comprise entre 170 et 252 devrait être suffisamment grande pour éliminer l'ETE.  ABSTRACT: Waste rocks extracted from mines are commonly dumped on the ground surface and stored as waste rock piles. They have also been increasingly used as building materials for in site or off site constructions. Determining their hydro-mechanical properties is a critical issue to ensure economic and stable design and construction of infrastructures made from waste rocks. This is also the end objective of this thesis. It is however a challenging task because waste rocks typically have a wide gradation with particles as small as silt and as large as boulders of meters. The literature review shows that there are a large number of publications on the determination of shear strength of rockfill, very few on waste rocks. The literature review also shows that the most published works on waste rocks were mainly realized by following the testing methods developed for and used in civil engineering. Subsequently, ASTM D3080/D3080M-11 has been largely used for direct shear tests, while ASTM D2434-19 largely used for constant head permeability tests of waste rocks. The former stipulates that the specimen width (W) over the minimum particle size (dmax) ratio should not be smaller than 10 while the latter requires that the specimen diameter (D) over dmax ratio must be equal to or larger than 8 or 12, depending on the percentage of coarse particles. These requirements can be easily reached for fine particle materials. But they constitute considerable obstacles for coarse granular materials like gravel, rockfill and waste rocks in laboratory tests. To overcome these difficulties, several scaling down techniques have been proposed and largely used to eliminate the oversized particles. In addition, the minimum required W/dmax ratio of 10 given by ASTM D3080/D3080M-11 has been universally used for direct shear tests, while the minimum required D/dmax ratio of 8 or 12 stipulated by ASTM D2434-19 largely employed for constant head permeability tests even though the validities of these minimum required specimen size over dmax ratios have never been clearly shown. The first specific objective (SO) is to identify a reliable scaling down technique that can be used to correctly determine the shear strength of coarse particle materials, such as gravel, rockfill and waste rocks. The second SO is to validate the minimum required specimen size ratio of ASTM D2434-19 and to identify large enough ratios that can be used to determine reliable saturated hydraulic conductivity. To reach these SOs, a literature review was first performed on published data obtained by direct shear tests on coarse granular materials. It is found that the methodology used by previous researchers to validate or invalidate the scaling down techniques in estimating the shear strength of field materials is inappropriate. The reliability of all the scaling down techniques remains unknown even though the parallel scaling down technique has been the most popular and the most used one. In addition, the minimum required W/dmax ratio of 10 stipulated in ASTM D3080/D3080M-11 for direct shear tests is not large enough to eliminate specimen size effect (SSE). The reliability of all the previously published results obtained by using this ratio can become questionable. In order to know what is the minimum required W/dmax ratio to eliminate the SSE, a series of direct shear tests have been conducted using three shear boxes of different sizes. The results show once again that the minimum required W/dmax ratio of 10 is not large enough to eliminate SSE. Rather, a W/dmax ratio equal to or larger than 60 seems to be large enough to avoid SSE in the direct shear tests. This ratio was then applied to evaluate the reliability of scaling down techniques through a series of direct shear tests performed on “field” samples and scaled down samples with different dmax, prepared by applying scalping and parallel scaling down techniques. The friction angles of scaled down samples having dmax values smaller than that of field samples were used to establish predictive equations between the friction angle and dmax for each scaling down technique. The equations were later used to predict the friction angles of the field samples. The comparisons between the measured and predicted friction angles of field samples indicate that scalping scaling down technique can be used to predict the friction angles of field samples, and the parallel scaling down technique fails to predict the friction angles of field samples. While the previous results showed interesting insight to the validity or invalidity of the scaling down techniques, one notes that the field samples were limited to have a dmax value of 5 mm in order to meet the minimum required W/dmax ratio of 60 with the special large direct shear box of 30 cm wide. A raised question is how obtain the friction angle of field samples with a dmax value larger than 5 mm. To answer this question, an equation based on available experimental results was proposed between the friction angles normalized by the friction angle of large enough specimens and W/dmax ratio. This equation along with the friction angle obtained with a specimen having a W/dmax < 60 can then be used to give a prediction to the friction angle of the same samples having W/dmax = 60. In order to test if the proposed method works, one took use of the theory in which the repos angle of a material corresponds to the internal friction angle of the same material in the loosest state. A series of direct shear tests were thus performed by slowly placing the samples in shear boxes. Another series of pile tests were conducted to obtain the repos angle of the same samples. The comparisons between the measured and predicted friction angles indicate that the proposed method can be used to predict the friction angles of coarse granular materials having a dmax value larger than 5 mm. Similarly to the analysis of mechanical properties of coarse granular materials, an analysis was also made on existing data of saturated hydraulic conductivity. It is noted that almost all the previous investigations were made by using the minimum required D/dmax ratio of 8 or 12 specified by ASTM D2434-19 for constant head permeability tests of granular materials even though the reliability of the minimum required D/dmax ratio of 8 or 12 has never been tested. To further study if the minimum required D/dmax ratio of 12 is large enough to avoid any SSE and to identify the minimum required D/dmax ratio to avoid any SSE, constant head permeability tests were performed by using four columns of different sizes on four samples with different dmax values. The D/dmax ratios of tested specimens vary between 13 and 252. The results showed again that the minimum required D/dmax ratio of 8 or 12 is too small to avoid SSE in constant head permeability tests. Rather, the experimental results tend to show that a value of D/dmax between 170 and 252 should be large enough to eliminate the SSE.


identifier: Agiotis, L. (2022). Nonlinear Propagation of Femtosecond Laser Pulses in Plasmonic Nano-Colloids  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse traite de la quantification et des origines de l'auto-(dé)focalisation et de la propagation des impulsions femtosecondes à travers des suspensions aqueuses de nanoparticules métalliques avec des impulsions amplifiées et des impulsions à haut taux de répétition. Dans les deux cas, des équations de propagation non linéaires sont utilisées pour décrire physiquement les observations expérimentales, en traitant le matériau composite en se basant sur ses propriétés optiques de milieu effectif.  Il est bien connu qu'au-dessus d'une puissance seuil, les impulsions femtosecondes amplifiées subissent une auto-focalisation lorsqu'elles se propagent dans l'eau pure, ce qui entraîne les effets de la filamentation laser et de la génération de supercontinuum. Il est intéressant de noter que le renforcement et la modulation du supercontinuum ont été observés lorsque l'eau est dopée avec des nanoparticules plasmoniques. Ce phénomène a été principalement attribué à l'amélioration de la non-linéarité de Kerr de l'eau, toutefois, sans que les origines physiques de l'interaction ne soient clairement établies. En fait, les mesures z-scan dans des échantillons minces de nanocomposites métalliques donnent typiquement une faible non-linéarité de Kerr, pratiquement impossible à distinguer de leur hôte diélectrique non dopé, lorsque des impulsions femtosecondes sont utilisées. Une autre façon de quantifier le renforcement plasmonique serait d'étudier directement la puissance seuil pour l'autofocalisation à travers des échantillons épais, avec la manifestation simultanée de la filamentation laser et de la génération de supercontinuum.  À cette fin, une technique de limitation de la puissance optique a été utilisée, pour la première fois avec des impulsions femtosecondes.  En premier lieu, il était important de démontrer l'applicabilité de la technique dans le cas de la transparence optique, c'est-à-dire sans dopage plasmonique. En effet, le montage a été testé sur de l'eau pure et de l'éthanol. On a montré que le signal optique de sortie ne présente pas une réponse de type ‘step-function' par rapport à la puissance de l'impulsion, comme cela est généralement attendu lorsque des impulsions nanosecondes ou picosecondes sont utilisées. Cependant, le signal présente des caractéristiques de la transformation des impulsions en ondes coniques non linéaires.  La réponse a été systématiquement étudiée et il a été démontré comment la non-linéarité de Kerr peut être évaluée de manière fiable.  ABSTRACT: This thesis deals with the quantification and origins of femtosecond laser self-(de)focusing and propagation through aqueous suspensions of metallic nanoparticles with amplified pulses and with high-repetition rate pulses. In both cases, nonlinear propagation equations are employed to describe the physical picture in accordance with experimental observations, treating the composite material based on its effective medium optical properties.  It is well-known that above a threshold power, amplified femtosecond pulses undergo self-focusing when they propagate through pure water, which leads to the effects of laser filamentation and supercontinuum generation. Interestingly, enhancement and modulation of the resulted supercontinuum has been noted when water is doped with plasmonic nanoparticles. It has been principally attributed to enhancement of the Kerr nonlinearity of water, however, without clear insights on the physical origins of the interaction. In fact, z-scan measurements in thin samples of metallic nanocomposites yield typically a weak Kerr nonlinearity, hardly distinguishable from their undoped dielectric host, when femtosecond pulses are employed. An alternative approach to quantify plasmonic enhancement would be to directly investigate the threshold power for self-focusing through thick samples, under the concurrent manifestation of laser filamentation and white-light continuum generation.  Toward this objective, a power limiting technique has been employed, for the first time with femtosecond pulses. An important first step was to demonstrate the applicability of the technique in the simpler case of optical transparency, i.e., without plasmonic doping. Indeed, the setup was tested on pure water and ethanol. It was shown that the output optical signal does not exhibit a step-like function response versus the input power as usually expected when nanosecond or picosecond pulses are employed, yet it features the underlying physics of the transformation of the pulses into nonlinear conical waves. The response was systematically studied, and it was demonstrated how the Kerr nonlinearity can be reliably evaluated.   As a next step, gold nanorod colloids of varying concentration were studied by the same technique. The peak of the plasmon resonance of the samples was purposely chosen to lie near the employed optical wavelength.


identifier: Neves Motta, V. (2022). Optimal Allocation of Demand Response Through Aggregators Considering the Transmission System Topology  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La participation croissante des sources d'énergie renouvelables dans le réseau électrique entraîne de nouveaux défis opérationnels, tels que la fluctuation de la production des énergies renouvelables ainsi que la difficulté de prévoir adéquatement leur production. Il est donc nécessaire de trouver des moyens efficaces pour trouver des façons d'ajuster la demande, malgré sa nature distribuée dans le réseau. Les agrégateurs peuvent être utilisés pour gérer un ensemble de ces ressources dites de gestion de la demande de puissance (en anglais, “demand response”), facilitant ainsi leur utilisation par l'opérateur indépendant du système. Cependant, la conception des agrégateurs et la décision sur comment allouer leurs ressources sont des problèmes importants. Un des aspects qui nécessite plus d'attention est l'impact de la topologie du réseau électrique sur ces décisions. Notre première contribution est un modèle d'optimisation à court terme pour l'allocation des ressources gestion de la demande de puissance (DR) ainsi que des ressources de production pour satisfaire la demande externe qui est offerte après que la décision de génération soit prise. Les ressources de DR ne pourront être utilisées qu'après la décision de la génération. Enfin, notre travail tient également compte de l'impact de la congestion du système de transmission lors de l'allocation des ressources DR. Des tests numériques avec les études de cas IEEE 96-RTS et ACTIVSG500 montrent que l'utilisation de la DR aide à gérer la congestion du système de transmission, permettant ainsi aux générateurs de satisfaire à une plus grande demande externe. Dans notre deuxième contribution, nous considérons les incertitudes liées à la production d'énergies renouvelables et à l'offre de demande externe. En outre, nous ajoutons une autre couche de complexité au problème en considérant le problème d'engagement des unités de production. Cela conduit à un problème mixte stochastique semi-défini, qui est assez difficile à résoudre. Afin de résoudre ce problème, nous appliquons la décomposition de Benders généralisée (GBD), ce qui nous permet de surmonter la complexité du problème original. Comme l'algorithme GBD a souvent un taux de convergence lent, nous avons utilisé différentes méthodes d'accélération pour améliorer sa performance. Nous montrons également que toutes les méthodes employées contribuent de manière significative à la diminution du temps de résolution. En particulier, la méthode des coupes Pareto-optimales contribue le plus à l'amélioration des performances de l'algorithme GBD. Nous évaluons ces méthodes en résolvant plusieurs instances de notre problème avec la grille de test IEEE 96-RTS. Comme les programmes de DR jouent un rôle plus important dans l'opération du réseau électrique, à la fois à court et à long terme, le problème de son allocation optimale devient primordial. Pour cette raison, notre contribution finale est une étude détaillée des travaux existants qui adoptent une approche intégrée pour planifier de manière optimale l'opération du réseau électrique et l'utilisation de la DR. Nous présentons les différentes approches pour résoudre ce problème ainsi que les recherches futures possibles sur ce sujet.  ABSTRACT: The increasing penetration of renewable energy sources in the power grid brings new operational challenges, such as the renewable energies generation fluctuation as well as the difficulty to adequately predict their generation. This brings up the need for effective means to provide demand response in spite of its distributed nature throughout the grid. Aggregators can be used to manage a set of such demand response resources, facilitating their usage by the independent system operator. However, both designing aggregators and deciding how to allocate their resources is an important problem. One of the aspects that needs more attention is the impact of the transmission system on these decisions. Our first contribution is a short-term optimization model for allocating demand response (DR) resources as well as generation resources to supply external demand that is offered after the dispatch decision is made. The DR resources will only be available for use after the dispatch decision is made. Our work also considers the impact of congestion in the transmission system when allocating DR. Numerical tests with the IEEE 96-RTS and the ACTIVSG500 case studies show that DR usage helps to manage the transmission system congestion allowing for more external demand to be supplied by the generators. In our second contribution, we consider the renewable energy generation and the external demand offer uncertainties. Besides that, we also add another layer of complexity to the problem by considering the unit commitment problem. This leads to a stochastic semidefinite mixed integer problem, which is fairly challenging to solve. In order to solve this problem, generalized Benders decomposition (GBD) is applied, allowing us to overcome the complexity of the original problem. Because the GBD algorithm often has a slow convergence rate, we have employed different acceleration methods to obtain improvements on its performance. We show that all of the employed methods contribute significantly to diminishing the time of solution when making a benchmark of them. In particular, the Pareto-Optimal cuts method contributes the most to improve the performance of the GBD algorithm. We benchmark those methods by solving several instances of our problem with the IEEE 96-RTS test grid. As DR programs play a more significant role in the operation of the power grid, both in the short- and long-term horizon, the problem of the optimal allocation of DR resources becomes primordial. Because of that, our final contribution is a detailed survey of the existing works that take an integrated approach to optimally planning the operation of the power grid and the use of DR. We present the different approaches for solving this problem as well as possible future research on this topic.


identifier: Torabi Milani, M. (2022). Detailed EMT-Type Load Modeling for Power System Dynamic and Harmonic Studies  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le fonctionnement en régime permanent et dynamique des systèmes électriques est fortement influencé par les caractéristiques des charges alimentées. Par conséquent, une analyse précise des systèmes électriques nécessite des modèles de charge appropriés. Comme la majorité des modèles de charge existants ne permettent pas une représentation complète ou précise des charges réelles agrégées, il est essentiel de développer de nouveaux modèles de charge afin de capter plus précisément le comportement de la charge. Dans cette thèse, un nouveau modèle de charge détaillé basé sur des composants de type EMT (transitoire électromagnétique) est développé dans le logiciel Electromagnetic Transient Program (EMTP®). Des modèles individuels de type EMT de composants de diverses catégories de charge sont d'abord développés et ensuite agrégés à un niveau supérieur pour former un modèle de charge détaillé agrégé. Le modèle proposé permet de capter la diversité des dispositifs des charges réelles agrégées et est également capable de prendre en compte les non-linéarités (l'électronique de puissance), les charges monophasées et les conditions déséquilibrées. Il offre une plus grande précision et peut fournir une description plus réaliste du comportement de la charge par rapport aux modèles existants. Le modèle développé est utilisé pour simuler le comportement de la charge lors d'événements de baisse de tension dans différents secteurs de charge et est validé par rapport à des mesures. La validation du modèle dans des cas réels est une étape importante du développement du modèle de charge qui est nécessaire pour garantir la capacité du modèle proposé à reproduire le comportement dynamique des charges pendant et après les perturbations. La modélisation détaillée de la charge n'est généralement pas l'approche préférée, principalement en raison des exigences de données excessives, des efforts et du temps de calcul. Cependant, l'importance du modèle détaillé pour capter le comportement de la charge dans les simulations dynamiques est étudiée et son avantage par rapport aux modèles traditionnels est illustré. Pour explorer un autre aspect de la modélisation de charge, la réponse en fréquence de la charge est étudiée à travers la simulation d'un réseau de distribution souterrain existant. L'importance du modèle détaillé pour capter le comportement de la charge dans les simulations harmoniques est étudiée et les erreurs causées par les modèles conventionnels sont analysées.  ABSTRACT: Steady-state and dynamic performance of power systems are strongly influenced by the characteristics of the supplied loads. Therefore, correct analysis of power systems requires appropriate load models. As the majority of existing load models do not allow for a full or precise representation of the real aggregated loads, it is essential to develop accurate load models in order to capture load behavior more accurately. In this thesis a new detailed EMT-type (electromagnetic transient) component-based load model is developed in the time-domain simulation tool, EMTP® (Electromagnetic Transients Program). Individual EMT-type models of components from various load categories are first developed and next aggregated to form an aggregated detailed load model. The proposed model captures the diversity in end-use devices of real aggregated loads and is also capable of accounting for nonlinearities (i.e., power electronics), single-phase loads and unbalanced conditions (e.g., asymmetrical faults). It offers higher accuracy and can provide a more realistic description of the load behaviour compared to the existing models. The developed model is used to simulate load behavior in voltage sag events in different load sectors and is validated against field data. Validation of the model in real cases is an important stage of load model development which is required to ensure the capability of the proposed model to reproduce the dynamic behavior of loads during and following disturbances. Detailed load modeling is not usually the preferred approach mainly due to excessive data requirements, modeling efforts and computational burden. However, the importance of the detailed model for capturing load behaviour in dynamic simulations is investigated and its advantage over traditional models is highlighted.To explore a different aspect of load modeling, the frequency response of the load is studied through the simulation of an existing underground distribution network. The importance of the detailed model for capturing load behaviour in harmonic simulations is investigated and errors caused by conventional models are introduced. As an extension to this part, some new guidelines regarding modeling underground distribution systems for harmonic simulations of power systems is provided.