identifier: Dickson, Julien  (2021). Soudage et réparation de composites thermoplastiques par chauffe par induction.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
composite thermoplastique
réparation
soudure en continu
induction

abstract:
Cette étude vise à prouver l’applicabilité et même l’avantage des procédés de réparation et de soudure de composites thermoplastiques par induction au niveau industriel afin d’encourager un fonctionnement plus vert et durable. La chauffe est fournie par un procédé d’induction où une pièce conductrice, nommée suscepteur, est chauffée par des courants de Foucault. Par la suite, le suscepteur transmet sa chaleur au composite thermoplastique par conduction et une pression est appliquée pour consolider le joint ou la réparation. La position, le type et le nombre du ou des suscepteurs ainsi que le mode d’application de la pression sont adaptés s’il s’agit d’un procédé de réparation ou de soudure. La résine utilisée est une résine acrylique Elium 188. Elle a l’avantage de pouvoir être infusée à température ambiante, tout comme l’époxy, et présente des propriétés mécaniques similaires aux résines époxy concurrentes retrouvées dans l’industrie.

Pour la première partie du projet, soit la réparation, des échantillons d’essai de compression après impact sont produits, puis impactés avec une tour à impact à 80 J. Par la suite, une méthode de réparation par induction est développée avec pour objectif de récupérer le plus possible les propriétés mécaniques détériorées. Les échantillons réparés sont compressés jusqu’à leur rupture, puis comparés aux échantillons vierges de référence et aux échantillons impactés et non réparés pour évaluer le pourcentage de recouvrement des propriétés mécaniques en compression. Les échantillons impactés présentent une performance mécanique dégradée de 21,5 % par rapport aux propriétés de référence puis, une fois réparés, parviennent à récupérer 13,8 % des propriétés perdues. Ces valeurs sont comparables à celles obtenues par les partenaires du CDCQ avec une méthode de réparation par lumière infrarouge. En revanche, le temps de cycle de la réparation par induction est plus court de 4 minutes 30 secondes pour un cycle total de 10 minutes.

La deuxième partie du projet, la soudure en continu, développe une méthode pour obtenir un joint fort en un court temps de cycle. Le temps de cycle visé est évalué par rapport au temps de cycle d’une colle et estimé à une vitesse équivalente de soudure de 8,33 mm/sec. Cet objectif est atteint avec une vitesse de soudure en continu de 9 mm/sec. Pour les performances mécaniques en cisaillement à recouvrement simple, les joints soudés atteignent 9,21 MPa, une performance supérieure à celle des colles (7,82 MPa). Les valeurs se rapprochent même des performances d’un joint moulé (10,09 MPa). Un enduit gélifié est appliqué sur la surface du dessus et permet de confirmer que le procédé n’influence pas l’esthétisme de la pièce. Ces résultats sont encourageants pour la réparation et la soudure par induction des composites thermoplastiques au niveau industriel ainsi que pour leur utilisation.


identifier: Grenier, David  (2021). Modernisation des données de réanalyse pour WEST et impact sur le potentiel éolien analysé: implantation des réanalyses ERA5.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

type:
Mémoire ou thèse
Non évalué par les pairs

subject:
énergie éolienne
réanalyses
ERA5
NCEP
modernisation
WEST

abstract:
L’évaluation des ressources éoliennes est une étape importante pour l’installation d’un parc éolien. Le laboratoire de recherche du Centre Météorologique du Canada (CMC) d’Environnement Canada (EC) a développé un outil de simulation d’énergie éolienne (WEST) pour l’industrie de l’énergie éolienne. WEST est basé sur le modèle à méso-échelle MC2 (Canadian Mesoscale Compressible Community Model), le modèle micro-échelle MSMicro ainsi qu’un module statistique permettant d’obtenir la climatologie du vent régional à plus hautes résolutions. WEST a notamment été appliqué sur la région de la Gaspésie et sur les régions montagneuses du Yukon afin de simuler le vent en terrain complexe. WEST utilise présentement les réanalyses NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction / National Center for Atmospheric Research). Toutefois, les rénalyses NCEP s’avèrent désuètes. Plusieurs auteurs démontrent que les données de réanalyse de l’ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) ERA5 (ECMWF Reanalysis 5th Generation) offrent de très bonnes performances et que sa fine résolution est prometteuse pour le développement de l’énergie éolienne. Toutefois, d’autre recherches ont démontrées certaines déficiences de prédiction sur les vitesses de vent qui peuvent conduire à une sous-estimation de la production d’énergie éolienne, particulièrement dans les régions ayant une topographie complexe.

L’objectif du projet consiste donc à tenter de moderniser le modèle WEST en modifiant la base de données de réanalyse NCEP 2,5° par ERA5 à 0,25° et d’évaluer l’impact sur le potentiel éolien modélisé pour la région de la Gaspésie. La nouvelle base de données est incorporée dans le schéma de classification géostrophique de WEST afin d’améliorer les tables fréquentielles. Ensuite, une analyse statistique est faite sur les résultats obtenus. Les résultats sont comparés aux données d’anémométrie provenant d’une campagne de mesures faite par le Ministère des Ressources naturelles du Québec (MRNQ) et EC. Il est montré que l’incorporation de ERA5 dans le modèle WEST ne donne pas le rendement escompté. Les résultats montrent que ERA5 à 0,25° n’améliore pas les tables fréquentielles, principalement par rapport à la fréquence de la vitesse et à la direction du vent géostrophique (Vg). En fait, cette mauvaise performance rend pratiquement impossible l’utilisation de réanalyse avec la base de données ERA à 0,25° telle qu’elle est. Cela se traduit par une variabilité accrue localement, qui n’est toutefois pas toujours présente selon le domaine analysé. Or, la moyenne du module de Vg (VGM) a permis de montrer qu’il existe une réduction des pressions au niveau de la mer qui cause une anomalie dans le gradient de pression qui lui définit le Vg sous la montagne. Il est donc essentiel d’apporter une correction à l’erreur des Vg amplifiées par le relief et d’utiliser les réanalyses ERA5 sur les niveaux du modèle (ETA) (dataset = "reanalysis-era5-complete", et non dataset = "reanalysis-era5-pressure-levels"). Une évaluation de la distribution spatiale des histogrammes du module |Vg| et des roses des vents Vg a permis de mettre en évidence les directions erronées et les vitesses surestimées de ERA5 à 0,25° et qui disparaissent lors de l’usage avec ERA5 ETA.

WEST demeure un modèle intéressant pour fournir des champs de vent près de la surface. C’est un outil très important dans l’industrie de l’énergie éolienne. Ainsi, en modernisant les données de réanalyse WEST, il est possible d’améliorer grandement la capacité du modèle à simuler les vents dans des zones potentielles pour le développement d’un parc éolien.


identifier: Lim, Alexandre  (2021). Développement d’un système de tomographie ultrasonore pour l’inspection de lingots d’acier.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
contrôle non destructif
ultrasons
tomographie
imagerie quantitative
ondes de volume
lingots en acier

abstract:
Dans l’industrie métallurgique, la détection de défauts dans des produits semi-finis comme les lingots permettrait d’éliminer les pièces défectueuses avant même qu’elles soient transformées par un autre procédé manufacturier, représentant donc un gain financier et un gain de temps.

Ce mémoire présente l’application d’une méthode d’imagerie quantitative, développé par Huthwaite & Simonetti (2011) et appelée Hybrid Algorithm for Robust Breast Ultrasound Tomography (ou HARBUT), dans la détection d’hétérogénéités dans une barre d’acier. Ceci peut présenter un grand intérêt pour les manufacturiers dans le rejet ou l’acceptation de ces structures.

Un modèle par éléments finis a été développé avec le logiciel Pogo FEA (Huthwaite (2014)) simulant le lingot d’acier en immersion dans l’eau. Cette étude par simulation permet d’affirmer qu’il est possible d’utiliser HARBUT pour l’estimation quantitative de la vitesse de propagation du son dans une coupe de la barre d’acier. La vitesse moyenne dans la barre d’acier est estimée avec une erreur relative de moins de 2%. Les hétérogénéités modélisées sont bien détectés, avec une résolution spatiale d’une demi-longueur d’onde et avec une erreur relative d’environ 10 %. Ces résultats proviennent de la modélisation de la barre d’acier en immersion avec des sondes positionnées au contact de celle-ci.

La partie expérimentale permet de valider une reconstruction partielle la cartographie de vitesse de cette échantillon, extraite d’un large lingot d’acier, forgé et ayant subi un traitement thermique, étudié dans Dupont-Marillia, Jahazi, Lafreniere & Belanger (2017). Une différence de 10 m/s est observée dans la reconstruction de la vitesse de propagation du son au centre de cette barre et avec une erreur relative de 15% pour la vitesse moyenne du son à l’intérieur de celle-ci. Cependant, l’identification des différentes phases de l’acier et de la structure des joints de grains dans la barre d’acier n’a pas pu être reconstruite de façon satisfaisante, à cause de la non-validité dans ce type d’inspection de l’approximation de Born utilisé dans HARBUT pour la tomographie par diffraction.


identifier: Razanamparany, Sitraka  (2021). Simulation numérique des grandes échelles d’un jet propulsif en sortie de moteur d’avion avec modélisation microphysique des particules de glace.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
trainées de condensation
turbulence
simulation des grandes échelles
environnement
jet
microphysique

abstract:
L’importance mondiale accordée aux problèmes environnementaux et la perspective d’une croissance future du trafic aérien ont conduit la plupart des pays développés à lancer d’importants programmes de recherche de l’impact de l’aviation sur l’environnement. Le premier concerne l’impact sur le réchauffement climatique. Ce dernier a été suivi par la mise en place de mesures réglementaires réduisant essentiellement la pollution locale. Plus récemment, la pollution en altitude est devenue un sujet de recherche majeur. Ce dernier impact a été étudié par certains auteurs commePaoli & Garnier (2005b) ; cette étude a montré que le processus de formation des trainées de condensation est principalement contrôlé par l’entrainement du jet, le vortex et la diffusion turbulente du jet. De plus, dans les études sur l’impact de l’aviation sur le changement climatique, l’impact des trainées de condensation est celui qui représente le plus d’incertitudes. Dans ce contexte, cette thèse vise à mieux comprendre les phénomènes microphysiques dans le panache de l’avion, ces derniers conditionnant les propriétés des cirrus induits.

L’objectif principal de la thèse est d’approfondir la compréhension de la formation et de la croissance des particules de glace en utilisant et modifiant un code de CFD de haute précision avec un modèle microphysique intégré afin de pouvoir modéliser la formation d’une traînée de condensation en altitude de vol.

La simulation des grandes échelles d’un jet turbulent a été largement étudiée au cours de la dernière décennie. Les conditions de non-réflexion ont été utilisées comme conditions aux limites pour les jets libres dans la grande majorité des cas. Le modèle dynamique de Smagorinsky (DSM) donne de bons résultats à faible nombre de Mach (0,2) et faible nombre de Reynolds. Dans notre travail, les simulations ont été effectuées à l’aide du code FLUDILES pour calculer un jet libre à pression atmosphérique et un nombre de Reynolds élevé (106). Dans un premier temps, une validation du jet, en utilisant le code FLUDILES, sera faite. Les résultats obtenus seront comparés aux résultats expérimentaux en termes de grandeurs moyennes et turbulentes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous discuterons en détail des résultats de la simulation numérique de l’interaction jet/particules de suie en sortie de moteur à une altitude de croisière. Pour finir, nous nous concentrerons sur l’influence des caractéristiques du moteur sur la croissance des particules.

L’impact scientifique et technologique de ces travaux consiste à avoir une compréhension plus précise de l’influence des effluents émis par l’aviation actuelle sur l’environnement. L’outil numérique ainsi développé permettra potentiellement de faire des modifications techniques dès même la conception du moteur et par conséquent réduire l’empreinte environnementale des moteurs d’avion.


identifier: Proteau, Antoine  (2021). Contribution au pronostic de la qualité d’un produit usiné par la proposition d’un modèle basé sur l’apprentissage machine.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: autoencodeur variationnel

subject: pronostic

subject: qualité

subject: tolérancement géométrique et dimensionnel

subject: usinage

subject: données industrielles

abstract:
La présente thèse est une contribution à la surveillance et au pronostic d’un produit usiné à l’aide d’une approche basée sur l’apprentissage machine utilisant une architecture de type autoencodeur variationnel. Encore aujourd’hui, les entreprises manufacturières sont toujours en proie à plusieurs pressions telles que la globalisation des marchés, les demandes constantes de réduction des coûts ou encore les requis qualité toujours plus exigeants. Pour faire suite à cette dernière, l’objectif de cette thèse est donc de démontrer la possibilité de développer un système de mesure alternatif permettant de réaliser le pronostic de la qualité d’un produit usiné, et ce, en temps réel.

Dans cette optique, notre première contribution a été de proposer un descripteur basé sur le concept d’énergie spécifique de coupe. Celui-ci est défini comme étant la quantité d’énergie nécessaire à l’enlèvement de 1 cm3 de matériau. Il a été démontré que ce descripteur est fortement corrélé à l’usure d’un outil de coupe (r > 90%). Nous avons également montré que ce descripteur a un apport considérable (14.7%) lors du processus d’apprentissage dans un contexte d’apprentissage supervisé.

Une autre contribution de ces travaux relève de notre proposition d’un modèle capable de réaliser le pronostic de la qualité d’un produit usiné. Ce modèle est basé sur un réseau de neurones de type autoencodeur variationnel. Le modèle est capable de réaliser le pronostic de la qualité avec une erreur quadratique moyenne de 5.257 X 10‾⁴ mm. L’espace latent de deux dimensions généré par le modèle illustre également une distribution visuelle des données en fonction du niveau de la qualité. En nous basant sur cet espace latent et le concept de distance euclidienne, nous avons aussi proposé une nouvelle métrique permettant de rapidement quantifier le niveau de qualité. Cette métrique est corrélée avec les valeurs observées (r ≈ 94%) et avec les valeurs prédites de la qualité (r ≈ 67%). Cet espace latent fournit donc un outil simple et visuel pour suivre l’évolution du processus d’usinage.

Ces travaux ont été réalisés en partenariat avec un industriel : APN Inc. (Québec, Canada). Ce faisant, les résultats de cette thèse sont majoritairement fondés sur un jeu de données acquis chez celui-ci représentant plus de 600 heures de production régulière. Ceci facilite donc le potentiel de transfert technologique vers l’industrie et ainsi permettre à ces entreprises de mieux réaliser la surveillance et le pronostic de la qualité de leurs processus d’usinage. De plus, cela ouvre la porte à la possibilité d’implanter et d’utiliser un système de mesure alternatif en entreprise.


identifier: Lecoublet, Brieg  (2021). La vulnérabilité et la protection du rachis cervical chez les motocyclistes.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
motocycliste
deux-roues motorisés
dispositifs de protection
rachis cervical
méthode d’évaluation

abstract:
Depuis de nombreuses années, les motocyclistes sont très exposés et vulnérables sur les routes. Les accidents dont ces usagers sont victimes provoquent des lésions importantes, notamment au niveau du rachis cervical impliquant des atteintes neurologiques non négligeables. Les lésions du rachis cervical sont liées au plus haut taux de mortalité chez les motocyclistes. Lorsqu’elles ne sont pas mortelles, elles peuvent causer une tétraplégie, atteignant ainsi d’une manière irréversible l’intégrité physique des motocyclistes et entraînant en même temps des coûts de traitements significatifs à long terme. Chez le motocycliste, les types de lésions du rachis cervical sont encore mal connus aujourd’hui. Nous savons cependant que ces lésions sont majoritairement causées par un impact direct sur le casque lors de l’accident. Des dispositifs de protection existent et permettraient de réduire la vulnérabilité du rachis chez les motocyclistes en éliminant ou en réduisant la gravité des lésions. Cependant, l’absence de normalisations spécifiques pour ces dispositifs ne permet en aucun cas de prouver leur efficacité de protection. De plus, il semble que le principe de fonctionnement ne soit pas adapté à tous les types de deux roues motorisés et par conséquent, à leurs différents modes d’utilisation. À la lumière de ces observations, la question centrale de recherche suivante s’est posée: comment renforcer la protection du rachis cervical chez les motocyclistes sans impacter leur sécurité et satisfaction de conduite ?

Pour y répondre, l’objectif général de ces travaux était d’élaborer une méthode permettant l’évaluation des dispositifs de protection du rachis cervical pour motocyclistes. Plus précisément, cette méthode utilisant la voie numérique et la voie expérimentale devait permettre d’évaluer deux aspects fondamentaux: la capacité d’un dispositif à protéger les motocyclistes contre les traumatismes du rachis cervical et la capacité d’un dispositif à maintenir une sécurité et satisfaction de conduite aux motocyclistes. Ce sont quatre grandes étapes associées à quatre objectifs spécifiques qui ont permis d’apporter des éléments de réponse à la question centrale de recherche énoncée précédemment.

La première étape consistait à élaborer un cahier des charges permettant de formaliser le besoin et les exigences pour renforcer la protection du rachis cervical chez les motocyclistes sans impacter leur sécurité et leur satisfaction de conduite (O1). Point d’entrée de ces travaux de recherche, ce cahier des charges a permis de définir sept critères d’évaluation : le critère de protection qualitatif, le critère de protection quantitatif, le critère de visibilité sécuritaire de conduite, le critère d’encombrement, le critère de masse, le critère d’ajustement et le critère de dépassement. Les scores (0 à 5) de chacun des critères sont déterminés à partir d’un barème afin d’évaluer leurs performances.

La deuxième étape de ces travaux visait à déployer une méthode pour évaluer les différents critères prioritaires liés à la capacité de protection et le niveau de sécurité/satisfaction de conduite des motocyclistes (O2). Cette méthode se distingue selon deux volets : un volet d’évaluation numérique et un volet d’évaluation expérimentale. Le volet numérique consiste à évaluer, à partir de modèles par éléments finis du corps humain, le critère de protection qualitatif et le critère de protection quantitatif. Les simulations numériques réalisées ont permis de représenter des cas de chargement représentatifs des traumatismes subis par les motocyclistes lors des accidents de 2RM. Basé sur une comparaison « avec dispositif/sans dispositif », ce volet se concentre d’une part sur le critère qualitatif qui prend en considération les types de lésions apparues au rachis cervical, d’autre part sur le critère quantitatif qui prend en considération les contraintes/déformations dans les différentes zones anatomiques. Le volet expérimental consiste quant à lui à évaluer les cinq autres critères. Le critère de visibilité sécuritaire de conduite est évalué grâce à l’analyse de la mobilité articulaire du cou « avec dispositif » et « sans dispositif » selon deux postures de conduite différentes (Scooter et moto de course). Les critères d’encombrement, de masse, d’ajustement et de dépassement sont évalués à partir de simples mesures sur les dispositifs testés. Les scores obtenus pour l’ensemble des critères sont finalement associés à des coefficients de pondération issus de l’élaboration du cahier des charges (maison de la qualité). Un niveau de performance final du dispositif peut donc être déterminé.

La troisième étape visait à évaluer deux dispositifs de protection existants du rachis cervical à partir de la méthode développée (O3). L’application de la méthode d’évaluation développée a permis de faire un bilan complet des performances des dispositifs EVS et Leatt Brace, tous deux réputés et encore vendus aujourd’hui sur le marché des équipements de protection pour motocyclistes. Bien que présentant un niveau de performance convenable quant à la sécurité et la satisfaction de conduite, ces dispositifs, conçus pour réduire le risque de blessures du rachis cervical, semblent ne pas avoir l’effet escompté. Ils semblent même augmenter la vulnérabilité du rachis cervical dans certains cas de chargement, rendant leur utilisation contestée. En plus de permettre l’évaluation complète de ces deux dispositifs, cette étape a également favorisé l’identification des avantages et inconvénients de la méthode en vue de son amélioration.

La quatrième et dernière étape de ces travaux visait à amorcer le développement de dispositifs de protection du rachis cervical pour motocyclistes (O4). Cette phase de développement préliminaire est menée en trois étapes avec une recherche de solutions, une présélection des concepts prometteurs et une concrétisation de leur design. Elle a permis d’initier la conception de deux dispositifs de protection qui ont pu être testés partiellement à partir de la méthode développée. Ce travail doit être poursuivi avec un raffinement des deux concepts permettant à terme leur évaluation complète. Ce n’est qu’à partir des résultats d’évaluation qu’un choix sera effectué pour finaliser ce travail d’innovation.

Les résultats générés par ces travaux de recherche ont tout d’abord permis d’identifier avec précision les attentes autour de la protection du rachis cervical chez les motocyclistes. Ces attentes, traduites sous forme de critères, sont les clefs de la mise en place d’une évaluation complète des dispositifs de protection du rachis cervical. Ces sept critères qui caractérisent la capacité de protection, la satisfaction et la sécurité de conduite, ont pu être évalués à partir d’une méthode novatrice couplant un volet numérique et un volet expérimental. Appliquée sur deux dispositifs de protection existants, la méthode a mis en avant certaines lacunes en ce qui concerne leur capacité de protection. En effet, bien que la sécurité et satisfaction de conduite soient globalement convenables, leur utilisation semble dans certains cas augmenter la vulnérabilité du rachis cervical et les rend donc potentiellement non viables. Enfin, ces travaux ont permis d’amorcer le développement de nouveaux dispositifs qui ont pu être partiellement évalués grâce à la méthode développée. Un travail de raffinement est encore nécessaire afin de mener une évaluation complète pour sélectionner le concept final à concrétiser.

Ces travaux de recherche permettent de faire un pas de plus vers l’amélioration de la protection du rachis cervical chez les motocyclistes. La méthode d’évaluation développée doit devenir un outil clef pour l’émergence de nouveaux dispositifs innovants et performants. Cet outil pourrait-il être un jour utilisé à des fins de normalisation ? Il semble encore être trop tôt pour le dire. La poursuite de son développement ainsi que son optimisation grâce à son application à plus grande échelle permettront de parfaire son fonctionnement. Enfin, cet outil pourrait être par ailleurs utilisé à plus grande portée avec une application dans d’autres disciplines pour lesquelles le rachis cervical est également vulnérable.


identifier: Dias Brandao, Raphaël  (2021). Développement d’un outil d’aide à la décision par analyse multicritère pour la durabilité des projets de chauffage à la biomasse forestière au Québec.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

abstract: Le chauffage à la biomasse forestière résiduelle est une alternative aux combustibles fossiles qui s’inscrit dans les objectifs québécois et canadiens de réduction des gaz à effet de serre (GES). Si les opportunités et les bénéfices de tels projets peuvent être conséquents, il ne faut pas négliger les freins et impacts potentiels de ces projets sur l’environnement et la communauté en particulier. Cette étude vise le développement d’un outil d’aide à la décision permettant de guider et d’aider les décideurs publics à choisir le meilleur projet et à améliorer sa durabilité. Les indicateurs sont pondérés en fonction des orientations des différentes parties prenantes grâce à l'utilisation de la méthode d'analyse décisionnelle multicritères hiérarchique (Analytic Hierarchical Process, AHP). Cette méthode permet de différencier les pondérations et d’intégrer l’acceptabilité sociale au processus de décision. L’outil a été appliqué à deux scénarios fictifs pour montrer sa capacité à guider la prise de décision et mettre en avant la différentiation des pondérations et des scénarios permise par la méthode d’évaluation.


identifier: Laouej, Mariem  (2021). Amélioration des méthodes d’émulation des pannes par les radiations cosmiques sur les FPGA.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
FPGA à mémoire SRAM
SEU
injection de pannes
effet de radiations
benchmarks

abstract:
La terre est bombardée par un flux de particules chargées énergétiques appelées rayons cosmiques. Les effets des rayons cosmiques sur la microélectronique sont connus et sont de plus en plus préoccupants, en particulier pour les systèmes embarqués des avions volant à des altitudes de plus en plus élevées. En effet, la diminution de la taille des transistors a fait en sorte que les circuits sont en général plus sensibles aux radiations cosmiques.

Dans ce contexte, il est important d’investiguer la réaction de ces systèmes embarqués face aux radiations. Si les tests accélérés sous faisceaux de particules demeurent la manière la plus réaliste de faire cette investigation, d’autres techniques, telle l’émulation, permettent d’initier cette tâche. L’objectif de ce projet est l’amélioration d’une méthode d’injection de pannes par émulation en terme de représentativité ainsi qu’en terme de rapidité pour la reproduction la plus fidèle possible des résultats des tests sous faisceaux de neutrons obtenus au laboratoire TRIUMF de Vancouver.

Dans ce mémoire, une série d’expérimentations d’injection de pannes est effectuée tout en ciblant des parties précises de la mémoire de configuration des circuits utilisés. Les circuits utilisés par nos expérimentations sont les FPGA à base de mémoire SRAM, qui représentent un choix populaire dans les environnements aéronautiques. Le type des pannes ciblées, très fréquemment rencontré dans les composants de mémoire SRAM, est le SEU (single event upset), qui constitue l’effet habituel du passage d’un neutron dans une région sensible d’un microcircuit.

Nous proposons une nouvelle méthode qui consiste à attaquer les parties essentielles des bits des LUT (Look Up Table), représentant la plus petite entité configurable du FPGA permettant la mise en oeuvre des fonctions logiques simples, ainsi que des bits Non LUT, représentant les autres bits de configuration, tout en considérant la différence de sensibilité entre ces bits. Cette approche est efficace, elle contribue à la réalisation de notre objectif, de plus, elle permet une estimation de nombre des bits critiques.


identifier: Nguyen, Xuan Dai  (2021). Contributions sur l’optimisation et l’analyse de l’isolation sismique des ponts dans les zones à sismicité modérée.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: génie parasismique

subject: ponts

subject: isolation sismique à la base

subject: zones de sismicité élevée et modérée

subject: caractéristiques optimales de l'isolation sismique

subject: limites d'analyse spectrale unimodale

subject: analyse temporelle non-linéaire

subject: amortisseurs hystérétiques métalliques en U

subject: appuis frettés en caoutchouc naturel

subject: basses températures

abstract:
L’isolation sismique à la base s’est progressivement imposée comme une des solutions de conception parasismique les plus efficaces applicables aux structures des ponts. Alliant une grande flexibilité horizontale et une capacité de dissipation d’énergie élevée, l’isolation sismique permet de réduire considérablement la demande sismique en force tout en contrôlant la demande sismique en déplacement. Ce faisant, elle améliore considérablement la performance des structures isolées et permet, le cas échéant, de réduire les coûts de construction à court et long terme et de préserver la fonctionnalité de l’ouvrage.

Cependant, la réponse sismique des ponts isolés et la performance des systèmes d’isolation sismique (SISs) dépendent fortement des propriétés des ondes sismiques, notamment le contenu fréquentiel et les caractéristiques spectrales du mouvement du sol. Dans ce contexte, les caractéristiques optimales des systèmes d’isolation sismique des ponts au sein de telles régions ainsi que la performance de méthodes simples d’analyse sismique devraient varier. Les SISs ont été principalement développés pour les zones à forte sismicité (HSAs), tandis que dans les zones à sismicité modérée (MSAs), l'isolation sismique est encore utilisée de manière relativement restreinte. Par conséquent, des SISs et des méthodes d'analyse rapides plus adaptés aux MSAs et en particulier à ceux des régions froides sont d'un grand intérêt et leur disponibilité et accessibilité devraient encourager une application plus large de la technologie.

Cette recherche s'inscrit dans ce contexte. Ses principaux objectifs spécifiques sont les suivants: 1) identifier la gamme des caractéristiques optimales des SISs pour les régions HSAs et MSAs; 2) revoir les limites d'application de la méthode simple d'analyse spectrale unimodale pour les zones de sismicité modérée et élevée, et compléter la méthode avec des prédictions utiles pour la conception des ponts isolés; et 3) effectuer une formulation / étude analytique et numérique du comportement d'un SIS combinant des appuis en caoutchouc naturel fretté et des amortisseurs métalliques en U (UD), une solution potentiellement bien adaptée pour les applications SISs dans les régions froides à sismicité modérée et élevée.

Sur la base de la carte d'activité sismique globale, la classification des zones sismiques est réalisée du point de vue de l'isolation sismique, à travers le contenu fréquentiel et les paramètres spectraux. Les caractéristiques communes des enregistrements sismiques pour chaque classe de sismicité sont identifiées et les différences mises en évidence par rapport à l'efficacité de l'isolation sismique. Les résultats confirment que les tremblements de terre dans les MSAs sont caractérisés par une concentration d'énergie sous hautes fréquences et que l'allongement de la période de vibration conduit à une diminution plus rapide de l'accélération spectrale sismique, par rapport aux HSAs. Sur la base d'une analyse paramétrique approfondie où les propriétés du SIS sont variées, les plages optimales des deux principales caractéristiques hystérétiques du SIS, à savoir la résistance caractéristique (Qd) et la rigidité post-élastique (Kd), sont spécifiquement déterminées et clairement distinguées entre les HSAs et MSAs. Les résultats montrent que les SISs pour les ponts dans les HSAs nécessitent des capacités de dissipation d'énergies élevées, tandis que les dispositifs avec des capacités d'amortissement faibles à modérées sont plus appropriés pour les ponts dans les MSAs. Les sites de Vancouver et de Montréal, respectivement représentatifs des HSAs et MSAs, sont plus spécifiquement considérés. Avec les données de conception sismiques réelles, les valeurs optimales de la résistance au poids caractéristique, Qd/W, se situent dans la plage de [0.08 à 0.12] pour le site de Vancouver et dans la plage de [0.015 à 0.045] pour le site de Montréal. Une forte corrélation entre la rigidité post-élastique optimale et la résistance caractéristique optimale est mise en évidence et des relations empiriques sont proposées pour chaque site.

Par ailleurs, les limites d'application et les performances de la méthode d'analyse spectrale unimodale (SMSA) pour l'analyse sismique des ponts isolés en Amérique du Nord sont revues et complétées. Les demandes sismiques de ponts isolés, générées dans le cadre de l'étude paramétrique, telle que prédites par la SMSA, sont comparées aux résultats d'analyses temporelles non linéaires, y compris à l'intérieur et à l'extérieur des limites d'applicabilité spécifiées dans les codes actuels. De cette manière, les avantages de ces limites et leurs effets sur l'exactitude de la SMSA sont étudiés et clarifiés. Les résultats obtenus indiquent que les limites sur l'amortissement visqueux équivalent et la force de rappel, spécifiées dans les codes actuels, représentent les conditions les plus efficaces, tandis que les conditions liées aux limites sur la période effective et de la période post-élastique peuvent être ignorées. Pour compléter la SMSA, une relation prédictive du déplacement résiduel en fonction du système de restauration et les marges d'erreur attendues de la méthode sont proposées pour les ponts isolés situés dans les deux sites canadiens de Vancouver et Montréal.

Comparativement à la plage des caractéristiques optimales des SIS pour chaque zone sismique, les appuis frettés en caoutchouc naturel (NRB) présentent une capacité de dissipation d'énergie insuffisante. Par conséquent, les méthodes pour combler cette lacune ont été revues et étudiées. Les appuis en caoutchouc au plomb sont coûteux et peu écologiques, tandis que les appuis en caoutchouc à amortissement élevé (HDRB) comportent des insuffisances majeures qui les empêchent de répondre aux conceptions optimales dans les régions froides. Ces déficiences s’expliquent en raison du phénomène intrinsèque de stabilisation (en anglais "scragging") combiné avec une haute sensibilité aux températures froides. Dans un tel contexte, le procédé d'utilisation de dispositifs d'amortissement métalliques supplémentaires apparaît comme une solution plus efficace pour améliorer le comportement des appuis frettés en caoutchouc naturel. L'ajout d'amortisseurs en U (UD) est identifié comme une technique des plus prometteuses mais son comportement reste mal compris et non documenté suffisament. Ce comportement est donc étudié analytiquement et numériquement et les quelques études expérimentales disponibles sont utilisées pour valider les résultats obtenus. Des équations prédictives pour les principales caractéristiques hystérétiques de NRB-UD sont proposées. Les résultats montrent que ces dispositifs fournissent des EDC (énergie dissipée par cycle) élevées et stables dans toutes les directions sans affecter de manière significative la flexibilité post-élastique par rapport à celle de l’appui fretté d'origine. De plus, les performances sismiques sont facilement contrôlées en modifiant la section transversale et le nombre de dispositifs UD dans les systèmes intégrés NRB-UD, ce qui en fait une solution efficace qui peut être largement appliquée dans l’amélioration des isolateurs et appuis conventionnels, notamment les NRB, et qui peut également rencontrer une large gamme d'exigences de conception. Des études numériques et expérimentales supplémentaires sont cependant nécessaires pour étendre les résultats à d'autres catégories d'aciers, pour établir des critères de rupture et pour évaluer les déplacements résiduels résultant de ces SISs.


identifier: Saliani, Seyed Saeed  (2021). Development of hot mix asphalt using fractionated coarse and fine reclaimed asphalt pavement (RAP) and pulp aramid fiber (PAF) for cold climate.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
enrobés
enrobé recyclé
granulats bitumineux recyclés
tests thermo- mécaniques
fibre d’aramide
conception de mélange
performance de mélange

abstract: Nowadays, it is common to add recycled materials in asphalt mixes without changing the modulus and the low temperature properties. It has been shown that the usage of reclaimed asphalt pavement (RAP), when done properly, can enhance the performance of Hot Mix Asphalt (HMA). However, limited studies have looked at how RAP mixes could be improved. This study mainly focused on utilizing RAP and the effect of RAP fraction and particle size on the overall performance of high RAP mixes produced solely with either coarse or fine RAP particles. In addition, other additives that increase HMA properties have been studied here. Pulp Aramid Fibers (PAF) was added to HMA to study their effectiveness. Performance tests and thermomechanical tests such as tension-compression fatigue tests, thermal cracking resistance (TSRST), rutting resistance, indirect tension test, complex modulus tests and dynamic shear rheometer test were used to characterize the bitumens and the mix. The 2S2P1D rheological model was used to compare the behaviour of the mixes that designed in this study. As a result, fractionating the RAP particle can help to increase the RAP content limits. Also, it is expected that HMA has better performance with inclusion of coarse RAP particles than fine particles. In addition, pulp aramid fiber is suggested as the green alternative to reinforce the pavement to increase the tension resistance. Further investigation recommended regarding the optimization of fiber content in HMA.


identifier: Carillo, Kévin  (2021). On the objective occlusion effect induced by in-ear devices under bone-conducted stimulation: a theoretical investigation of the influence of the earcanal wall vibration and its spatial distribution.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: effet d’occlusion

subject: modélisation par éléments finis

subject: analogie electro-acoustique

subject: vibration pariétale du conduit auditif

subject: contribution des dispositifs intra-auriculaires

abstract: The occlusion effect is commonly experienced as the altered perception of one’s own physiological noise when the earcanal entrance is blocked. By affecting the acoustic comfort of hearing protectors and hearing aids’ users, the occlusion effect participates to their inconsistent or incorrect use. In this thesis, the objective occlusion effect caused by in-ear devices under bone-conducted stimulation is investigated in order to ultimately mitigate the phenomenon. For this purpose, this thesis focuses on (i) the explanation of the fundamental mechanism of the objective occlusion effect and its multiple interpretations, (ii) the influence of the earcanal wall vibration and its spatial distribution, and (iii) the mechanism(s) of contribution of in-ear devices to the occlusion effect. In a first part, the vibro-acoustic behavior of the earcanal open and occluded by an infinite impedance and submitted to a bone-conducted stimulation is thoroughly analyzed, illustrated and interpreted using a 3D finite element model of a realistic outer ear in conjunction with an associated electro-acoustic model. The two models are very complementary to dissect physical phenomena and to highlight the influence of the earcanal wall normal vibration distribution on the vibro-acoustic behavior of the open earcanal. This distribution is here characterized by its centroid position along the earcanal curvilinear axis. In particular, it is shown that this centroid position corresponds to the location of an equivalent source representing the normal vibration of the earcanal wall in electro-acoustic model. In addition, common interpretations of the occlusion effect in terms of “leak” and “trap” are shown to misrepresent the fundamental mechanism of the phenomenon related to the earcanal impedance increase. In a second part, a widespread theory of the objective occlusion effect provided by Tonndorf in 1964 is revisited to clarify its ambiguous points from which several misinterpretations of the phenomenon could have been derived. Investigating the electro-acoustic model associated with the theory, a second order high-pass filter effect for the volume velocity transferred between the earcanal wall and the eardrum is highlighted. This filter remains for partial occlusion but vanishes for perfect occlusion. In the latter case, the volume velocity transferred from the earcanal cavity to the middle ear through the eardrum drastically increases, which explains the predominance of the occluded outer ear pathway on the hearing by bone-conduction at low frequencies. In a third part, the principle of an indirect method to estimate the centroid position of the earcanal wall normal velocity is presented. This method consists in measuring the acoustic pressure transfer function between the earcanal open and occluded by an external capped duct coupled to the earcanal entrance under bone-conducted stimulation. The centroid position is then estimated at the lowest antiresonance frequency of the earcanal coupled to the external duct using an electro-acoustic model associated to the coupled system. This indirect method is evaluated and investigated using a 3D outer ear finite element model. In a last part, the mechanism(s) of contribution of earplugs to the occlusion effect is investigated using a 2D axi-symmetric finite element model of the outer ear in conjunction with an associated electro-acoustic model. Two mechanisms are highlighted: (i) a Poisson effect induced by the normal component of the earcanal wall vibration and (ii) a longitudinal motion caused by the tangential component of the earcanal wall vibration. By varying the geometry of the earcanal surrounding tissues, the spatial distribution of the earcanal wall vibration, in both normal and tangential directions, is shown to influence the contribution of earplugs to the occlusion effect. Also, it is shown that the contribution of earplugs to the occlusion effect dominates that of the earcanal wall which is not covered by them from medium to deep insertion depth. Overall, this thesis constitutes an additional effort in the understanding of the occlusion effect induced by in-ear devices and ends at the beginning of the development of new concepts mitigating the phenomenon using their own passive vibro-acoustic behavior.


identifier: Hajji, Thaweb  (2021). Effet des radiations cosmiques sur les systèmes numériques embarqués dans les véhicules automobiles.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
injection de pannes
FPGA
rayons cosmiques
collé-à
Filtre de Sobel
transformée de Hough
Matlab/Simulink
saboteur
émulation

abstract:
L’utilisation de l’électronique embarquée dans le domaine de l’automobile ne cesse d’augmenter et surtout avec l’apparition des véhicules autonomes. Ce domaine se caractérise par des requis très sévères au niveau de la fiabilité des circuits intégrés, dont les circuits de type FPGA. Ces requis de fiabilité sont tels qu’il devient pertinent de s’interroger de l’effet de certaines sources de corruption habituellement négligées, comme les radiations cosmiques, sachant que les FPGA les plus répandus, ceux basés sur le mémoire statique, y sont particulièrement sensibles. Ceci oblige les chercheurs à développer des stratégies permettant à ces circuits de tolérer l’effet des radiations et d’améliorer leur fiabilité. Le développement de telles stratégies demande qu’elles soient validées tout au long du processus de conception, et idéalement le plus tôt possible.

Dans ce mémoire, nous validons des modèles structuraux de pannes à haut niveau d’abstraction, permettant d’imiter l’effet des événements singuliers (Single Event Upset, SEU) induits par les radiations cosmiques, et ainsi constater leurs influences très tôt dans le processus de conception. De manière plus spécifique, nous validons une stratégie qui suppose que l’injection de pannes aux entrées/sorties d’un bloc de haut niveau, à l’aide des modèles structuraux, mène à des résultats fautifs qui sont représentatifs de ceux qui seraient obtenus sur le même bloc, implémenté au niveau matériel, était soumis au rayonnement cosmique. Pour effectuer cette validation, un montage expérimental a été développé, selon une approche de type matériel dans la boucle (Hardware In the Loop, HIL). Ce montage implique un modèle de simulation Matlab/Simulink et une plaquette électronique contenant un circuit FPGA basé sur la mémoire statique. Dans ce dernier est implémenté un filtre de Sobel, pris pour la détection des obstacles dans le contexte de véhicules autonomes. Le circuit FPGA contient également un module commercial, le SEM, permettant l’émulation de SEU. Le modèle Matlab/Simulink permet de mesurer et comparer l’effet aux sorties du filtre des deux types de perturbations (SEU et modèles structuraux de pannes de haut-niveau). Ces mêmes effets sont mesurés et comparées à la sortie d’un bloc habituellement placé en aval du filtre de Sobel dans la détection des obstacles, à savoir une transformée de Hough. Des métriques de comparaison ont été décrites à cette fin. Cette étude a permis d’obtenir des résultats validant la stratégie d’injection des pannes à l’aide de modèles structuraux affectant les entrées/sorties d’un bloc, qui permet de couvrir les SEU injectés par le SEM.


identifier: Majdi, Seyed Mohammad  (2021). Effect of powder shape and size on the properties of low- viscosity iron-based feedstock used in low-pressure powder injection molding.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: moulage par injection de poudre basse pression (LPIM)

subject: poudre de fer

subject: particules irrégulières

subject: liants

subject: déliantage

subject: température de pré-frittage

subject: frittage

abstract: Low-pressure powder injection molding (LPIM) is a cost-effective advanced manufacturing technology to produce low or high production volumes of complex-shaped metal parts with good mechanical properties. Although there has been some study conducted on sphericalshaped metal powders, there is a poor understanding of the application of irregularly-shaped metal powders on the physical and micro-structural such as density of the sintered components produced by LPIM. The current research work presents an experimental approach to investigate the effect of powder shape and size on the properties of metallic parts fabricated by LPIM. Four low-viscosity feedstocks were prepared using three irregularly-shaped iron powders, sieved in three mesh sizes, and labeled as -10, -20, -45 μm, and one spherical carbonyl iron powder (CIP) with an average particle size of 4 m. The binder system consisted of 1 vol. % of stearic acid, 2 vol. % of carnauba wax, 2 vol. % of ethylene-vinyl acetate for their surfactant, demolding, and thickening effects, respectively, and where the balance of the binder was constituted of paraffin wax. Rectangular specimens were injected at constant volumetric flow and thermally wick-debound and sintered at high temperatures under a hydrogen atmosphere. The feedstock viscosity profiles were obtained using a rotational rheometer. The density of powder, polymeric binders, and feedstock were measured using a gas pycnometer. The melting point of the feedstocks and the binders' burnout temperatures were obtained using differential scanning calorimetry tests (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA), respectively. The density of sintered specimens was measured using the oilimpregnation method based on Archimedes’ principle. Finally, the debinding network and metallographic observations of the sintered parts were performed using a scanning electron microscope (SEM) and optical microscope, respectively. It has been shown that the -45 μm mesh irregular iron-based powder can be blended at higher solid loading as compared to -10 μm powder resulting in a slight increase in the relative density that was correlated with metallographic analysis showing a higher level of isolated pores in sintered part.


identifier: Lucas, Killian  (2021). La dégradation du niobate de lithium à haute température.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: niobate de lithium

subject: piézoélectricité

subject: haute température

subject: conduction ionique

subject: loi d’Arrhenius

abstract:
Ce mémoire a pour objectif d’identifier les phénomènes responsables de la dégradation du comportement piézoélectrique à haute température du niobate de lithium (LiNbO3). En effet, le niobate de lithium, contrairement aux autres matériaux piézoélectriques, possède à la fois une haute température de Curie (1210 °C ou 1483K) et des coefficients piézoélectriques suffisamment élevés pour des applications comme transducteur. Ce matériau est donc un candidat prometteur pour des applications piézoélectriques à haute température. Cependant, la littérature fait état d’une dégradation du niobate de lithium à partir de températures supérieures à 570K. Néanmoins, les mécanismes à l’origine de cette dégradation sont incertains. Une hypothèse permettrait d’expliquer cette dégradation des propriétés piézoélectriques du niobate de lithium à haute température : l’apparition d’une conduction ionique à haute température.

Nous avons donc étudié la conductivité électrique de monocristaux congruents de niobate de lithium dans une fourchette de température allant de 20 °C (293K) à 1000 °C (1273K) sur une plage de fréquences variant de 20 Hz à 20 MHz. L’évolution de la conductivité électrique du niobate de lithium est décrite sous l’angle d’un modèle analytique. Ce modèle généralise la loi de relaxation diélectrique universelle avec l’équation d’Arrhenius afin de prendre en compte simultanément les variations de la température et de la fréquence d’excitation du cristal. Les mécanismes de conduction sont identifiés comme étant de nature électronique à basse température et de nature ionique, dominée par le déplacement des ions lithiums (Li+), à haute
température. Cette conduction ionique peut donc provoquer un court-circuit interne dans le cristal de LiNbO3, réduisant la piézoélectrique observable. De plus, la fréquence d’excitation du cristal influe grandement sur la température au-delà de laquelle la conduction ionique devient dominante: à haute température les déplacements ioniques peuvent être grandement réduits avec une fréquence d’excitation suffisamment élevée, clarifiant ainsi la confusion présente dans la littérature. Ces résultats clarifient et identifient les mécanismes intervenant à haute température dans le niobate de lithium, permettant ainsi une mise en oeuvre approprié pour des applications piézoélectriques à haute température.


identifier: Shahmiri, Hamidreza  (2021). Non-destructive evaluation of hydrogen embrittlement in cadmium-plated high strength steel using ultrasonic surface waves and eddy currents.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: contrôle non destructif (CND)

subject: fragilisation par l'hydrogène (FH)

subject: acier à haute résistance

subject: revêtement de cadmium

subject: ondes acoustiques de surface (OAS)

subject: ultrasons

subject: contrôle par courants de Foucault (CCF)

abstract: Hydrogen embrittlement (HE) is a serious material deterioration phenomenon that can cause sudden failure of metallic parts subjected to static or cyclic loads, leading to service interruptions and financial losses. HE can result in delayed fracture of components with vulnerable microstructure that contain exceedingly small concentrations of diffusive hydrogen. Sources of hydrogen ingress into material can be either external, such as a corrosion reaction, or internal, such as electroplating process. Cd-plated 4340 high strength steel components, used for manufacturing aircraft landing gears, are particularly prone to HE. Such parts are heattreated during a process called baking to encourage the egress of electroplating-induced hydrogen. However, there are concerns about the efficiency of baking as well as the effect of inevitable delays between electroplating and baking on the risk of HE. It is therefore beneficial to develop a non-destructive evaluation (NDE) method to ensure that dissolved hydrogen level is dropped below a certain concentration threshold in Cd-plated parts. In other words, such NDE method shall ideally be able to quantitatively evaluate the susceptibility of Cd-plated steel parts to HE. However, there are numerous challenges which hinder achieving this goal. Firstly, such small hydrogen concentrations are below the sensitivity level of many conventional NDE techniques. Moreover, research on NDE of HE has so far has been focused on parts subjected to direct hydrogen charging that involve high hydrogen concentrations, the results of which may not be applicable to case of Cd-plated steel. As an initial but necessary step in research to address the problem, the present study assesses the feasibility of candidate NDE methods that were deemed sensitive to hydrogen-induced variations in near-surface material properties of Cd-plated steel samples. The aim was to distinguish between samples with low and high HE susceptibilities. For this purpose, non-destructive measurements based on surface acoustic waves (SAW) as well as eddy current testing (ECT) were performed on several samples manufactured in not-baked, late-baked and immediately-baked conditions. Destructive tests as well as microscopy techniques were performed in parallel to characterize test samples. Computer simulations of NDE results were also performed to evaluate the hydrogen-induced changes in relevant material properties.


identifier: Emami, Mahdi  (2021). A reconfigurable, LTCC-based, ultra-wideband periodic leaky-wave antenna with circular polarization at 60 GHz.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: antenne reconfigurable

subject: antenne microruban sur substrat LTCC

subject: antennes périodique à ondes de fuite

subject: antenne dans en boîtier

subject: communication à ondes millimétriques à ultra-large bande

subject: polarisation circulaire

abstract:
Over the last decade, demand for higher data rates in the short-range wireless communication applications has rapidly grown. Bit-rates in the order of multi-Gb/s are very appealing these days; especially, utilizing the 7 GHz unlicensed bandwidth around the 60 GHz spectrum which is also known as the Wireless Gigabit Alliance (WiGig). Bringing multi-gigabit performance, near-zero latency and low interference to short-range indoor and outdoor applications, is not possible with traditional Wi-Fi anymore. The potential markets for the WiGig applications are VR/AR (Virtual Reality and Augmented Reality), smartphone-to-HDTV streaming, mobile cloud sync, super-fast public hot spots and 5G fixed wireless broadband.

Antenna in Package (AiP) as a low-cost, low-profile and high performance antenna platform, has been proved to be a suitable solution for the mm-Wave communications. However, due to high attenuation level at this frequency range, an efficient, ultra-wideband antenna system with high radiation gain that supports circular polarization seems inevitable to overcome the limited connection range. Moreover, a narrow beam antenna must be equipped with 2-D beam steering capability to cover the maximum area of the room. Unfortunately, the existing antenna systems that are developed for 60 GHz band will not offer all these features at once in a single package. Other solutions have been developed, however, such designs include active devices such as motorized platform and active phase shifters that make the total system bulky and expensive.

In this research project, we introduce an efficient periodic leaky-wave antenna (PLWA) with a high directive, reconfigurable radiation pattern in two directions. This antenna has a very simple and small-footprint structure, designed for the LTCC technology, which makes it easy to fabricate for the mm-Wave AiP applications and allows the budget-efficient repeatability of the mass production for a commercially suitable product. Moreover, it supports the circular polarization. Here, we will present an empirical model for the proposed antenna, the design and optimization process, the fabrication’s challenges on the LTCC substrate and the considerations for the measurements. We propose a phased-array of PLWAs structure fed by a Rotman lens with the beam scanning angle of −43° to +34° on the Y-Z plane and −31° to +28° on the X-Z plane for the frequency range of 50 GHz to 70 GHz. The complete structure fabricated on the Dupont 9K7 LTCC substrate includes only passive microstrip components and has a footprint of 15mm×38mm. The matching bandwidth of a single optimized PLWA is 29 GHz from 43 GHz to 72 GHz (fractional impedance bandwidth of 48.3%) and its average efficiency and peak realized gain over this frequency range are 87.42% and 11.25 dBi respectively. Also, the values of Axial Ratio and SLL are kept under 3 dB and -10 dB respectively.


identifier: Honarmand, Jafar  (2021). Analysis of clock gating impact on FPGA behavior.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
FPGA
mode fonctionnel
retard
bruit

abstract:
This master's project is concentrated on finding the noise effect on delays and defining the worst-case scenario in the functional mode while clock gating is applied to the measurement circuit. In the literature review, efforts are made to verify that clock gating is one of the most practical power consumption reduction technique in FPGA-based design. However, the point that is considered in the measurement is that clock gating could induce noise on VDD with other parts of the design that remain active. To avoid unwanted fluctuations such as intermodulation due to the use of multiple clocks, only one clock is used. The proposed design includes two different delay lines. Both delay lines are used to calculate the noise effect in the design with this difference, one creates a thermometer coded output, and the other creates both thermometer coded output and pulses. The pulses are representative of different delays in the design.

The results confirm the presence of two transient phases: one when the noise is started and the other one when the noise is stopped. Fluctuations in delay appear in both phases. Starting the noise overall slows down the combination logic while stopping the noise makes it faster.


identifier: Amjadian, Amir  (2021). A framework for predicting the geometrical errors of thin- floor components in end milling using a flexible fixturing setup.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: composantes aux parois minces

subject: éléments finis

subject: Abaqus

subject: Python

subject: interface de programmation pour applications (API)

subject: prédiction d’erreurs géométriques

subject: montage flexible

abstract:
Thin-floor components are commonly used in aerospace industry such as spars, and bulkheads. Their superlative ratio of strength to weight makes them highly demanded by manufacturers. One of the inevitable problems in machining such products is the deformation which is induced by cutting forces during manufacturing and causes surface form errors. This issue becomes more important when a flexible fixturing system is involved to support the workpiece. In order to assure the machining accuracy in milling with this situation, a prediction model for surface dimensional errors is required to avoid costly compensation operations and reach high productivity. In this dissertation, a structured simulation procedure in milling suitable for part geometrical errors induced by axial cutting forces is proposed while the workpiece is fixed to (on) a flexible fixturing setup. The process is designed in an FE model as an implicit/Static analysis of material removal and deformation under the influence of applied axial cutting forces. A cutting force model is used to measure the average cutting forces in different positions of the cutter. An Abaqus Python API is applied to conduct numerous iterative procedures during creating the model in Abaqus including parametric study, creating repetitive geometry and managing multiple steps and forces. The theoretical model is based on the assumption that the workpiece is an elastic body. Because there is not much support on the back face of the plate, it will deform vertically and causes cutting deflections. The advantages of the proposed model over previous works are:

1. A framework is proposed to predict the workpiece non-linear behavior during machining due to its constant changing geometry.
2. It greatly speeds up the experimental loop.
3. It can help to develop an off-line error compensation model in Abaqus by manipulating and adjusting the depth of cut value through the trajectory in an iterative process.

The first results show a gap between the theoretical and experimental models due to the simplification of a dynamic movement into a static behavior. Therefore, in the next step, the numerical model is developed in an attempt to reduce this gap.


identifier: Andrianantara, Mahefatiana Rojo Princy  (2021). Modélisation des performances du moteur General Electric CF34-8C5B1 de l’avion CRJ700 à partir des réseaux de neurones et des tests en vol.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

abstract:
Une nouvelle méthodologie a été développée afin d’identifier le modèle statique de performances de la turbosoufflante General Electric CF34-8C5B1 en utilisant deux réseaux de neurones en cascade de types perceptron simple couche avec une propagation directe (en anglais FeedForward Neural Network) et à l’aide des tests en vol. Les tests ont été réalisés sur le simulateur de vol du CRJ700 certifié niveau D pour toute l’enveloppe de vol de l’avion et pour quatre phases de vol, dont le décollage, la montée, la croisière et la descente.

La méthodologie a été réalisée en deux étapes. La première étape a consisté en l’estimation des paramètres de design du moteur, dont le rapport de pression du moteur (Engine Pressure Ratio ou EPR), le rapport de pression de la soufflante (Fan Pressure Ratio ou FPR) et le rapport de pression totale (Overall Pressure Ratio ou OPR), la température d’entrée de la turbine ITT, la vitesse de rotation de la soufflante N1 et la vitesse de rotation de la turbine N2 à partir d’un premier réseau de neurones ECS-NET. L’objectif de cette étape tend à reproduire le système de contrôle du moteur en modélisant les niveaux de poussée ainsi que les paramètres de chaque composant du moteur. La deuxième étape a consisté en l’estimation des paramètres de performances dont le débit de carburant Wf et la poussée Fn à partir d’un deuxième réseau de neurones ENG-NET. Les entrées du modèle sont notamment l’altitude, le nombre de Mach et les conditions atmosphériques comme la température ambiante, la pression ambiante et la densité.

L’identification du modèle a été réalisée avec succès sur le logiciel d’ingénierie Matlab/Simulink et elle a donné d’excellents résultats. Les réseaux de neurones ont été entraînés avec l’algorithme de régularisation bayésienne, qui a été capable d’identifier un système non linéaire à partir d’un nombre minimum de données. Différentes combinaisons de sorties du modèle ECS-NET ont été ensuite proposées, ce qui a démontré la capacité des réseaux de neurones à s’adapter par rapport aux paramètres disponibles.

La phase de validation a été réalisée à partir d’une analyse comparative entre les sorties de chaque modèle et celles de l’avion de référence. Pour ce faire, une analyse statistique a été réalisée pour l’ensemble des tests, puis différents scénarios de simulation ont été étudiés, dont un scénario pour la panne du moteur lors de la phase de croisière. Les résultats obtenus pour les paramètres de sortie ont montré que les modèles ont une excellente capacité de prédiction, avec une erreur relative inférieure à 2 % et une déviation standard inférieure à la tolérance de 5 % définie par la FAA.


identifier: Meyran, Paul  (2021). Conception d’une ailette adaptative pour l’optimisation des performances aérodynamiques de l’avion CRJ-700.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
conception
ailette adaptative
aérodynamique
structure
optimisation
contrôle

abstract:
L’aéronautique actuelle est gouvernée par la transition écologique et le développement d’avions plus verts. La technologie d’ailes déformables rejoint cette vision nouvelle et a le potentiel d'augmenter les performances des avions et de réduire les émissions de CO2. Le concept d’ailette adaptative appartient à cette technologie et représente une solution prometteuse en raison de sa contribution à l’amélioration des performances aérodynamique en vol.

Ce mémoire présente la conception d’une ailette adaptative pour l’avion de transport régional Bombardier CRJ-700. Une analyse des exigences a été élaborée pour cerner les besoins et les attentes d’un tel concept. Cette analyse a notamment mis en exergue les orientations de l’ailette adaptative générant les meilleures finesses en condition de croisière. Ces résultats, réalisés à partir de simulations tirées d’un simulateur certifié de niveau D de CAE Inc., ont permis de démontrer les avantages de doter le CRJ-700 d’une telle technologie. Une phase de dimensionnement a été menée afin de concevoir l’ailette adaptative. Cette phase s’est orientée à la fois autour du dimensionnement structurel de celle-ci, mais aussi du dimensionnement de son mécanisme permettant son orientation ainsi que du dimensionnement de son revêtement. Au travers de cette phase, les contraintes maximales appliquées à la structure dimensionnée ont été établies. Dès lors, la conception 3D de l’ailette adaptative sur le logiciel Catia V5 a été entreprise. Un mécanisme faisant intervenir un actionneur linéaire électrique a notamment été conçu pour permettre l’orientation de l’ailette adaptative. L’élaboration d’une phase d’optimisation par éléments finis de la structure d’ailette adaptative a permis de valider que cette dernière résiste parfaitement aux conditions de charges maximales qui pourraient lui être appliquées. De plus, la géométrie de la structure interne a été optimisée afin de fournir à cette recherche un concept final d’ailette adaptative. Le contrôle de l’orientation de l’ailette adaptative a finalement bien été effectué.


identifier: Paré, Abdou Aymard  (2021). Étude sur l’anticipation de la tendance des marchés financiers.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
tendance
anticipation
analyse technique
marchés financiers

abstract:
La tendance est un phénomène abstrait interpellant toute personne s’intéressant aux marchés financiers. En plus d’être abstraite, la tendance est quasiment impossible à prévoir avec certitude. Ces caractéristiques particulières de la tendance, justifient la pertinence du présent travail de recherche. À l’entame du présent travail, il s’est avéré évident qu’il faudrait établir une distinction entre les différents types de tendance.

La tendance à long terme, serait généralement beaucoup plus prévisible et obéirait à des critères beaucoup plus précis, tels que les décisions gouvernementales, la spéculation et les attentes, les transactions internationales, l’offre et la demande pour les biens et services. Les tendances à court et à moyen terme en plus d’être affectées par les facteurs impactant la tendance à long terme, dépendent également de facteurs beaucoup moins évidents à mettre en emphase. Le facteur humain semble être un facteur important dont la portée vis-à-vis de la tendance, est quasi-impossible à déterminer. Nos recherches se sont exclusivement penchées sur l’anticipation et la détection des tendances de court et moyen terme.

Nous avons choisi comme approche de déterminer un mix d’indicateurs déjà existants qui permettraient d’allier les critères majeurs suivants : la performance statistique, la rapidité de détection des signaux, la capacité d’anticipation des critères. Chaque indicateur retenu pour cette étude a été analysé sous trois degrés de volatilité (modérée, élevée, basse) et deux échelles temporelles (hebdomadaire et journalière). En dehors des observations et propositions effectuées, nous avons développé un outil d’analyse technique, doté du même pêché originel que bien d’autres nouveaux outils : le mix ou l’amélioration d’outils déjà existants au sujet de la tendance. Cet outil est l’Ultimate Smoothed Pentuple Exponential Moving Average (USPEMA).

Notre étude n’a pas permis d’élucider le caractère abstrait de la tendance mais de proposer des avenues dans l’objectif cher à plusieurs investisseurs d’anticiper la tendance des marchés financiers de manière efficace.


identifier: Faurie, Emma  (2021). Étude de l’écoulement de la couche limite atmosphérique pour la modification du couvert forestier au voisinage d’une éolienne.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
CFD
éolienne
forêt
déboisement
modèle de la canopé
couche limite atmosphérique
conditions aux limites

abstract: Afin de mieux comprendre l’effet de la taille des déboisements et des caractéristiques de la forêt sur l’écoulement du vent, des simulations numériques 2D ont été réalisées à l’aide d’une approche RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes). Un modèle k – e modifié permettant de prendre en compte la traînée due à la végétation a été utilisé après avoir été validé par les expériences réalisées en soufflerie de deux auteurs. Une couche limite de surface horizontalement homogène (CLSHH) et neutre a été modélisée en entraînant l’écoulement à la fois par un gradient de pression et une contrainte de cisaillement et en utilisant des conditions aux limites originales en haut du domaine pour les quantités turbulentes. Le modèle a été validé à l’aide de mesures expérimentales de terrain. L’écoulement a été simulé au-dessus d’une forêt de référence reproduisant une forêt boréale typique contenant une zone de coupe d’une longueur variable comprise entre 1h à 100h. Les simulations ont été reproduites dans le cas de trois autres distributions de densité de surface foliaire (Leaf Area Density, LAD) et trois autres indices de surface foliaire (Leaf Area Index, LAI) compris entre 2.5 à 10. En supposant qu’une éolienne d’environ 3MW était installée dans la zone déboisée, les variations spatiales de l’énergie disponible (E), du cisaillement moyen du vent (Average Wind Shear, AWS) et de l’énergie cinétique turbulente cumulée (cumulative Turbulente Kinetic Energy, cTKE) contenue dans la couche d’air balayée par les pâles ont été estimées à partir des simulations. Particulièrement, la distribution au-dessus du déboisement de leurs changements relatifs par rapport à une zone entièrement boisée a été étudiée. Trois hauteurs de moyeu ont été utilisées pour étudier l’influence de ce paramètre sur la distribution des variables. De manière inattendue, les résultats montrent que le déboisement dans la forêt ne génère pas nécessairement un gain d’énergie ni une réduction de cTKE ou d’AWS par rapport à une zone entièrement boisée, et l’agrandissement du déboisement n’améliore pas nécessairement ces variables. Pour les petites tailles de déboisement, environ 4h ou moins, la coupe n’a presque aucun effet. Les tailles "moyennes" (environ 10h à 40h) sont les moins adaptées, menant aux plus grandes réductions de E, et aux plus grandes augmentations de cTKE et d’AWS. En continuant d’agrandir le déboisement, on peut éventuellement réaugmenter progressivement E mais également l’AWS. L’augmentation de la hauteur du moyeu ne réduit pas les changements relatifs des variables par rapport à leur valeur de référence générés par le déboisement. Pour finir, l’augmentation de la densité de la forêt ainsi que l’augmentation de la répartition des feuilles au sommet des arbres intensifient l’effet du déboisement sur l’écoulement. Cependant les changements ne sont pas significatifs et la distribution des variables reste largement la même.


identifier: Dhahri, Akrem  (2021). Stratégies manufacturières pour des chaînes d’approvisionnement non fiables intégrant la production, la livraison et le transfert de stock.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
commande optimale stochastique
simulation
système de production non fiable
livraison
transfert de stock

abstract:
Ce mémoire aborde des problèmes de commande optimale stochastique pour des chaînes d’approvisionnement à deux échelons intégrant la livraison des produits finis et le transfert de stock entre localisations. Ces chaînes font face à des évènements aléatoires tels que les pannes et réparations aléatoires. Une approche de programmation dynamique stochastique combinée avec la simulation discrète-continue est utilisée pour modéliser la dynamique complexe du système. Cette approche permet de déterminer les structures des politiques optimales ainsi que les valeurs optimales des paramètres caractérisant ces politiques.

Dans la première partie de ce mémoire, nous étudions le cas d’une chaîne d’approvisionnement composée d’un manufacturier non fiable livrant des produits finis à plusieurs détaillants. Nous développons une politique de commande rétroactive intégrée de production et de livraisons. Nous proposons également une amélioration de cette politique en intégrant l’aspect de priorisation des détaillants dans la politique de livraisons. Les résultats montrent que les politiques proposées assurent une meilleure performance comparée aux politiques adaptées de la littérature. La politique intégrant la priorisation étant la meilleure en termes de coût.

Dans une deuxième partie, nous nous intéressons au cas d’une chaîne d’approvisionnement composée de deux manufacturiers non fiables localisés dans deux régions et qui répondent à différents taux de demandes et qui permettent de transférer le stock entre eux quand c’est nécessaire. L’objectif est de déterminer une politique de commande optimale qui intègre les décisions de production et de transfert de stock entre les localisations. Les résultats montrent que la politique intégrée proposée a une meilleure performance que des politiques adaptées de la littérature incluant le cas où il n’y a pas de transfert de stock entre les détaillants.

Pour résumer, les politiques proposées montrent l’importance de la coordination entre les activités de production, de livraison et de transfert de stock dans des chaînes d’approvisionnement à deux échelons. Elles aident les décideurs à prendre des décisions concernant ces activités de manière simultanée en assurant un coût minimal et une meilleure performance de la chaîne d’approvisionnement.


identifier: Viceriat, Valérie  (2021). Optimisation structurale par éléments finis d’un gousset en matériaux composites et de sa caractérisation par tests mécaniques.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
plis unidirectionnels secs minces
infusion
optimisation composite
flambage
gousset d'assemblage
modélisation
matériau composite

abstract:
L’allègement des pièces structurelles est un axe moteur d’innovation dans le secteur de l’aéronautique. Par ailleurs, beaucoup d'intérêt est actuellement porté sur les plis unidirectionnels de carbone très minces, conférant de meilleures caractéristiques mécaniques générales aux stratifiés. Couplés à l'optimisation composite, ils deviennent alors d'autant plus intéressants : ils permettent beaucoup plus de liberté vis à vis du design d’une pièce (transition plus progressive de plis), et permettent ainsi de réduire la masse de pièces en optimisant leur séquence d’empilement.

L'objectif de ce projet est de développer un procédé d'infusion optimal pour les plis unidirectionnels secs minces, de caractériser le matériau obtenu, d'optimiser une pièce couramment utilisée dans le renfort de structures (aéronautiques ou non) : « un gousset d'assemblage en composite », d’infuser cette pièce et enfin de tester et valider l’optimisation.

Le projet a été découpé en quatre étapes. Tout d'abord, le procédé d'infusion a été optimisé et développé pour pallier au manque de perméabilité des plis unidirectionnels secs minces. Ensuite, une fois l’infusion de plaques rendue possible, les propriétés du matériau ont été déterminées par tests mécaniques, par comparaison avec la littérature et par calculs. Ceci a permis d'alimenter un modèle par éléments finis, utilisé pour la troisième étape du projet : l'optimisation composite en trois phases à l'aide du logiciel d'Altair® du gousset, répondant à un chargement en traction et en compression. Enfin, la pièce optimisée a été fabriquée et testée selon les deux cas de chargements, afin d’observer la rupture de la pièce en matage et en flambage. Une simulation des tests a aussi été réalisée, afin de procéder à une évaluation de l’optimisation composite du gousset.

L’optimisation du gousset en plis unidirectionnels secs minces a permis une réduction de l'ordre de 30% par rapport à un gousset ayant la même épaisseur maximale, mais constante sur toute sa surface. Par ailleurs, les tests mécaniques ont démontré que le gousset optimisé a un comportement mécanique post flambage et en matage meilleur qu'un gousset en aluminium pour les deux tiers de la masse du gousset en aluminium.


identifier: Kaddachi, Raouia  (2021). Contrôle de la production et de la maintenance des systèmes industriels non fiables pour les produits périssables.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
systèmes manufacturiers non fiables
produits périssables
planification de la production
maintenance préventive
simulation
politique de commande
dégradation de la machine
méthodologie de surface de réponse

abstract:
Le travail présenté dans ce mémoire vise à traiter le problème relatif à la commande optimale. Il fait rapport à un système manufacturier non fiable et complexe. D’une part, le système de production étudié est sujet à des temps de pannes et réparations aléatoires. D’autre part, la famille de produits fabriqués est de nature périssable possédant une durée de vie limitée et aléatoire.

Ce projet porte alors sur la détermination des politiques de commande de production et de la maintenance pour les produits périssables. Il s’agit de développer des politiques de commande qui intègrent les différents aspects du système tout en optimisant ses paramètres. En premier lieu, compte tenu de l'équilibre important qui doit avoir lieu entre les coûts de rupture de stock d’une part et les coûts de possession et de rejet du stock d’autre part, l’objectif est de proposer une politique de commande de production appropriée qui minimise le coût total en respectant la contrainte de la satisfaction de la demande. En plus, les durées de vie des produits périssables prises dans les modèles étudiés sont considérées à la fois fixes et aléatoires. Ce type d'hypothèses est considéré consistant, car il permettra d'examiner plusieurs cas de systèmes industriels et de voir l’effet de la variabilité de la durée de vie sur le comportement du système. En outre, les systèmes manufacturiers font face à plusieurs facteurs qui peuvent engendrer la détérioration des machines et l’augmentation des taux de pannes. Dans ce contexte, ils visent à maximiser leurs disponibilités et minimiser l’occurrence des pannes en exécutant des interventions de maintenance préventive. Cette tâche devient plus critique si la détérioration de la machine a un impact sur la durée de vie des produits fabriqués. L’objectif est alors de développer une politique de contrôle de la maintenance qui tient compte de toutes les interactions qui peuvent exister dans le système.

D’une part, la première partie de ce mémoire porte sur la détermination d’une politique de commande de production optimale spécifique aux systèmes manufacturiers non fiables produisant des produits périssables ayant des durées de vies aléatoires. D’autre part, les stratégies de la maintenance préventive sont introduites dans la deuxième partie pour étudier comment mieux synchroniser les activités de production et les interventions de maintenance afin d’améliorer la disponibilité de la machine tout en intégrant la nature des produits périssables. Dans cette deuxième partie, nous nous intéressons à étudier l’effet de la dégradation de la machine sur la durée de vie des produits et comment cette relation peut influencer la politique combinée de maintenance et de production.

Afin de résoudre les problèmes considérés, nous présentons tout d'abord une solution analytique qui sert à déterminer une politique de commande de la production pour un système manufacturier non fiable sujet aux pannes. Les conditions d'optimalité sous la forme d'équations de Hamilton – Jacobi – Bellman (HJB) sont développées. Ensuite, en résolvant numériquement les équations HJB, la politique de production est établie. Par la suite, en raison de la complexité du système traité et des limites des modèles analytiques, nous adoptons une approche expérimentale basée sur la simulation comme outil d’optimisation des paramètres de décision. Cette dernière intègre la méthodologie de surface de réponse, les plans d’expérience et les analyses de sensibilité. Des exemples numériques des modèles développés ont été établis pour évaluer la performance du système et confirmer la robustesse et la pertinence de l’approche utilisée. Cette approche expérimentale est aussi adaptée dans la deuxième partie du mémoire pour optimiser les paramètres de la politique combinée de maintenance et de production.


identifier: Gartside, Philippe  (2021). L’influence de l’électroérosion et du micro-grenaillage sur les propriétés de surface de l’Inconel 718.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
contraintes résiduelles
micro-grenaillage
électroérosion
fatigue
rugosité

abstract:
L’Inconel 718 est un superalliage utilisé pour les pièces soumises à de la fatigue à température élevée. Cependant, la fabrication de pièces en Inconel 718 peut s’avérer difficile en raison de sa résistance mécanique pouvant augmenter l’usure des outils. Pour ce faire, l’électroérosion est un procédé de plus en plus utilisé pour fabriquer des pièces comme c’est un procédé où il n’y a pas de contact entre l’outil (le fil) et la pièce. Afin d’augmenter les propriétés en fatigue, le grenaillage est souvent utilisé pour induire des contraintes résiduelles en compression au détriment du fini de surface. Le micro-grenaillage est une modification au grenaillage standard où il y a une réduction du diamètre des billes. Ceci a comme objectif d’induire des contraintes résiduelles en compression tout en gardant un bon fini de surface.

Cette recherche a comme objectif de documenter l’effet du micro-grenaillage et de l’électroérosion sur les propriétés de surface de l’Inconel 718. Le micro-grenaillage a été effectué de deux façons. La première façon est en milieu industriel et le procédé a été effectué sur des échantillons extraits par électroérosion. Le micro-grenaillage a été fait avec un média d’une dimension allant de 150 μm à 300 μm. Les contraintes résiduelles en surface sont d’environ -950 MPa et la rugosité des échantillons a été améliorée par rapport aux finis électroérodés. Pour la deuxième façon, le micro-grenaillage a été effectué en laboratoire sur des échantillons polis avec comme objectif d’évaluer l’effet de la pression et de la hauteur de la buse sur les contraintes résiduelles et la rugosité. L’augmentation de la pression de grenaillage engendre une augmentation des contraintes résiduelles, de la rugosité et de la profondeur du profil de contraintes résiduelles. L’augmentation de la hauteur de la buse ne semble pas avoir une influence sur les contraintes résiduelles en surface ou sur la profondeur du profil. Cependant, l’augmentation de la hauteur de la buse engendre une réduction de la rugosité.

En parallèle à l’étude du grenaillage, trois finis de surface ont été évalués pour les échantillons extraits par électroérosion, soit un fini d’ébauche et deux de finitions. L’amélioration du fini de surface permet d’augmenter les performances en fatigue du matériau. Les tailles de grain ont aussi été évaluées et trois catégories d’échantillons ont été considérées: soit un grain fin de 10 à 15 μm, un grain intermédiaire de 15 à 25 μm et un gros grain de 25 à 30 μm. Il était difficile de définir l’effet de la taille de grain sur la durée de vie en fatigue, principalement pour les échantillons avec une finition d’ébauche.


identifier: Beauséjour, Marie-Hélène  (2021). Étude biomécanique des mécanismes lésionnels et des blessures médullaires au rachis cervical.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
rachis cervical
trauma
moelle épinière
biomécanique

abstract:
Le rachis cervical est une structure anatomique essentielle pour le support et la mobilité de la tête ainsi que pour la protection de la moelle épinière. Les blessures en flexion-distraction sont des blessures principalement disco-ligamentaires qui affectent les structures postérieures du rachis et peuvent mener à la subluxation ou la dislocation des facettes articulaires. Elles sont parmi les plus fréquentes au rachis cervical et elles entraînent de forts risques de blessures médullaires. Cependant, le mécanisme lésionnel qui cause ces blessures est toujours débattu dans la littérature et peu d’études expérimentales ont été menées sur ces blessures. Aussi, peu d’informations existent sur la contribution des structures disco-ligamentaires postérieures sur la stabilité post-traumatique du rachis et sur l’ampleur de l’atteinte neurologique après des blessures en flexion-distraction. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse était d’analyser l’influence du mécanisme lésionnel (conditions de chargement, cinématique des vertèbres, patron de blessures) sur l’instabilité (amplitude de mouvement, déplacements relatifs intervertébraux) et l’endommagement mécanique de la moelle épinière (compression de la moelle, contrainte de von Mises, déformations principales) lors de blessures en flexion-distraction. Cette thèse est donc divisée en deux volets : un volet sur le comportement traumatique du rachis cervical dans des blessures de type flexion-distraction et un volet sur le comportement post-traumatique du rachis cervical et de la moelle.

Pour répondre au premier sous-objectif (O1), soit d’étudier la cinématique de la tête et du rachis cervical lors d’un impact dynamique à l’arrière de la tête ainsi que les blessures subséquentes, un banc d’essai, composé d’un siège ajustable et d’un impacteur horizontal de 40 kg, a été développé. Ce banc a été exploité pour une étude expérimentale sur six sujets cadavériques masculins de 82 à 96 ans. Les sujets ont été impactés à l’arrière de la tête à des vitesses de 3,5 à 5,5 m/s avec une inclinaison postérieure de 0 à 25 degrés. L’impacteur était équipé d’une cellule de force triaxiale. Des accéléromètres étaient positionnés au sternum, au front et dans la bouche des sujets. Les essais ont été filmés par deux caméras hautes vitesses. Des vis ont été insérées dans les vertèbres cervicales et équipées de deux marqueurs permettant le suivi par stéréographie de leur position spatiale. Des marqueurs ont été placés sur la tête et l’épaule des sujets. Les blessures créées ont été déterminées par l’analyse d’images par tomodensitométrie des sujets et par dissection. Des courbes d’accélérations des sujets, de force de l’impact et de déplacement de la tête et des vertèbres ont été acquises. Tous les spécimens ont eu une blessure au rachis cervical. Les résultats de cette étude ont montré que le chargement en flexion-compression appliqué à la tête créait, tel que supposé, des blessures en flexion-distraction puisque quatre sujets ont eu ce type de blessure, dont deux avec une fracture de la facette articulaire. Les deux autres sujets ont eu une fracture de la vertèbre C2 accompagnée pour un sujet d’une subluxation au niveau C1-C2. Le niveau C6-C7 était le plus souvent touché et deux sujets avait des blessures à des niveaux intervertébraux non adjacents. La présence d’ostéophytes antérieurs a été reliée à une protection contre les blessures au rachis supérieur et au niveau intervertébral des ponts ostéophytiques. Cependant, des fractures apparaissaient aux niveaux adjacents aux ostéophytes. La présence d’ostéophytes affecterait donc le type et l’emplacement des blessures.

Le deuxième sous-objectif (O2), caractériser le mécanisme lésionnel en hyper-flexion et hyperflexion avec compression, a été accompli avec un modèle par éléments finis (MEF) de l’unité fonctionnelle C4-C5 extraite du modèle SM2S (Spine model for safety and surgery) développé par le groupe iLab Spine. Les propriétés matériaux des ligaments ont été définis par des courbes de contraintes et déformations non-linéaires tirées de la littérature. Des lois de rupture des ligaments et du disque intervertébral (DIV) basées sur la déformation maximale ont été ajoutées. Le modèle a été validé par rapport aux valeurs de forces et de moments à la rupture. Le modèle a ensuite été soumis à deux chargements jusqu’à la rupture : 1) flexion de 500 °/s puis 2) flexion de 500 °/s avec une compression de 0,2 m/s. Sous le chargement en flexion seul, les ligaments jaune (LJ) et interépineux (LIE) étaient les premiers rompus, suivi de la portion postérieure de l’anneaux fibreux, des ligaments supraépineux (LSE) et du ligament postérieur longitudinal (LPL). Sous le chargement en flexion-compression, la portion antérieure du DIV était la première structure lésée suivi de la portion postérieure du DIV. Ensuite, le LJ, le LIE et le LSE ont été rompus. Dans les deux cas, les ligaments capsulaires n’ont pas rompu ce qui suggère que des chargements différents sont nécessaires pour mener à leur blessure et à la subluxation ou la dislocation des facettes. Les résultats montrent aussi que le LPL est particulièrement résistant à la flexion et la flexion-compression.

L’atteinte du troisième sous-objectif (O3), mesurer la mobilité pré- et post-trauma sur sujets anatomiques complets après un impact dynamique à l’arrière de la tête, a été effectuée dans le cadre de la campagne expérimentale sur sujet anatomiques (O1). L’amplitude de rotation en flexion-extension de la tête et l’amplitude intervertébrale ont été mesurées avant et après l’impact sur quatre des sujets de la campagne en plaçant manuellement d’une position de rachis cervical neutre à une position maximale de flexion puis d’extension. Après l’impact, l’amplitude de rotation à la tête a augmentée de 35 à 75%. Les amplitudes de rotation en flexion-extension intervertébrales ont subi une augmentation de 44 à 151%. La mobilité globale ou intervertébrale initiale était plus faible pour les sujets avec des ostéophytes antérieurs. Les plus grandes augmentations d’amplitude de rotation intervertébrale correspondaient à des fractures de l’articulation des facettes ce qui souligne l’instabilité de ce type de blessure.

Le quatrième sous-objectif (O4) visait à quantifier la contribution des structures discoligamentaires postérieures à la stabilité spinale du rachis cervical en flexion. Pour ce faire, le MEF du rachis cervical SM2S (C2-T1) a d’abord été raffiné et calibré. Les propriétés matériaux des ligaments et des DIV ont été adaptés pour le segment cervical et le chargement quasi-statique. Ces propriétés ont ensuite été calibrées par rapport à la pression intradiscale et la rotation intervertébrale en flexion-extension sous un chargement en moment pur dans le plan sagittal (± 2 Nm). Ensuite, une blessure des ligaments postérieurs (LSE, LIE et LJ) et une rupture transversale progressive du DIV (1/3 de la longueur antéro-postérieure du DIV, 2/3 puis une rupture complète) a été modélisée à trois niveaux (C2-C3, C4-C5 et C6-C7). La rupture des ligaments postérieurs a eu peu d’impact à C2-C3, mais a augmenté l’amplitude de 77 et 191% à C4-C5 et C6-C7 respectivement. À l’opposé, la rupture complète du DIV a eu un impact important au niveau C2-C3. Elle a généré une augmentation de l’amplitude de rotation de 181% à C2-C3 et une subluxation des facettes à ce niveau pour seulement 51 degrés de flexion entre C2 et T1. Cette étude suggère que ce type de blessures disco-ligamentaires, même sans l’atteinte des capsules ligaments, peut entraîner une instabilité du rachis cervical.

Pour répondre au cinquième objectif (O5), caractériser l’endommagement de la moelle épinière pour des blessures en flexion-distraction, le modèle de moelle épinière tirée de SM2S a été remaillé en éléments de type brique et sa géométrie et ses propriétés matériaux ont été améliorés. Le modèle a ensuite été vérifié par rapport aux déplacements relatifs entre la moelle et le canal et aux déformations principales dans la moelle en flexion-extension. Quatre combinaisons de blessures ont été testées au niveau C4-C5, C5-C6 et C6-C7. Ces combinaisons visaient à quantifier l’effet protecteur des diverses structures disco-ligamentaires postérieurs et de représenter les blessures possibles lors de la flexion-distraction. D’abord, le LJ, le LIE et le LSE étaient systématiquement rompus. Les blessures investiguées incluaient la rupture transversale partielle ou complète du DIV, la rupture du LPL et la rupture des capsules ligamentaires. Après la modélisation des blessures, le modèle a été soumis à un moment pur dans le plan sagittal (± 2 Nm). Les déformations principales et la contrainte de von Mises dans la substance blanche et la substance grise ont été calculées ainsi que la compression latérale et antéro-postérieure de la moelle épinière. En extension, les blessures investiguées n’ont eu que peu d’impact sur la moelle épinière. En flexion, la rupture complète du DIV et de tous les ligaments postérieurs à l’exception du LPL est la situation qui a générée les plus grandes contraintes de von Mises (47 à 66 kPa), les plus grandes déformations principales p1 (0,32 à 0,41 dans la substance blanche) et p3 (-0,78 à -0,96 dans la substance blanche) et la plus importante compression de la moelle épinière (35 à 48% dans la direction antéro-postérieure). Les patrons de déformations dans la moelle ont montré que le mécanisme lésionnel pour ces types de blessures lors de flexion post-trauma était une compression importante de la partie antérieure de la substance blanche au niveau lésé combiné à une tension dans la partie postérieure de la moelle. Les ligaments capsulaires ont été identifiées comme les structures les plus importantes pour la protection de la moelle épinière en flexion post-trauma suivi du DIV.

Ce projet doctoral a mis en évidence le lien entre les patrons de blessures disco-ligamentaire et l’instabilité clinique. L’hypothèse que les blessures en flexion-distraction sont causées par des forces de flexion-compression appliquées à la tête a également été démontrée et des données nouvelles de cinématique de la tête et du rachis cervical lors d’un impact à l’arrière de la tête ont été recueillies. Les résultats obtenus ont permis d’apporter des recommandations cliniques pour le diagnostic et le soin des patients avec des blessures au rachis cervical. Les connaissances acquises sur les mécanismes lésionnels permettront de guider la conception et l’évaluation de dispositifs de protection du rachis. L’accomplissement de cette thèse a aussi mené à l’amélioration d’outils numériques et expérimentaux qui pourront être utilisés pour approfondir l’étude des blessures du rachis et des blessures médullaires.