identifier: Mottier, P. (2020). Analyses numérique et expérimentale du comportement sismique des contreventements berçants gravitaires en acier  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse porte sur le comportement sismique de structures en acier contreventées par l'utilisation de cadres berçants gravitaires. En particulier, elle porte sur les conséquences que l'utilisation de contreventements berçants gravitaires peut avoir sur la réponse sismique des structures ainsi dimensionnées. L'utilisation de contreventements berçants gravitaires est une méthode de conception parasismique relativement récente qui consiste à laisser les colonnes de la baie contreventée se soulever de leurs fondations lorsque la structure est sollicitée par un tremblement de terre. Ce faisant, les efforts de cisaillement induits par le séisme transmis aux membrures de la structure sont réduits. Le recentrage de la structure est assuré par l'action des charges gravitaires supportées par le cadre. Cependant, le soulèvement de ces charges gravitaires lors des phases de bercement mobilise verticalement d'importantes masses, qui activent de fait des modes de vibration verticaux de la structure contreventée, modifiant ainsi la réponse sismique de la structure. Dans ce contexte, cette thèse se consacre à l'étude de l'effet de l'activation des modes verticaux sur la réponse sismique des structures contreventées par cadres berçants gravitaires.  ABSTRACT: The implementation of rocking systems is considered as an efficient way to design resilient buildings or to retrofit seismically deficient ones, as it reduces the amount of lateral seismic forces applied to the building. In a controlled-rocking braced frame system, the columns of the braced frames are designed to uplift from their foundations. Re-centring capacity of the building may be provided by adding vertical post-tensioning elements, the gravity loads supported by the braced frames or by a combination of these elements. When the self-centring capacity is solely conferred by the tributary gravity loads of the frames, these systems are referred to as gravity-controlled rocking braced frames. However, the uplift of the braced frames induces the uplift of the floor framing systems, which represent a significant mass moving vertically. Vertical modes of vibration of the structure are hence activated, and thus significantly modifying the overall seismic behaviour of the rocking braced frame structures. This thesis is consequently devoted to the study of the seismic behaviour of gravity-controlled rocking braced frames, with focus to the influence of the movement of the vertical masses.


identifier: Beaupré, D.-A. (2020). Apprentissage profond pour vision stéréoscopique multispectrale  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente des méthodes pour estimer les disparités des humains, soit le déplacement entre les pixels des silhouettes humaines, entre des images visibles (RGB) et infrarouges (LWIR). Le but est que, pour chaque pixel dans l'image de gauche, on soit capable de trouver le pixel correspondant dans l'image de droite. Ceci permet de mettre en correspondance les objets d'intérêts d'une scène et peut être utile dans des applications de vidéosurveillance ou de voitures autonomes. Différents facteurs rendent cette tâche plutôt difficile. En plus des difficultés reliées à la nature stéréo du problème, il y a aussi la difficulté de travailler avec deux spectres différents qui n'ont pas beaucoup d'information en commun. Ceci cause beaucoup de problèmes lorsqu'il est temps d'établir des correspondances entre les images. Les méthodes de la littérature se basent sur des descripteurs classiques, mais nous croyons qu'il est possible d'obtenir des méthodes plus performantes si on utilise des réseaux de neurones convolutifs.  ABSTRACT: This thesis presents new methods to do disparity estimation for human subjects, defined as the distance between pixels on the human silhouettes, between images from the visible (RGB) and infrared domains (LWIR). The goal of disparity estimation is, for each pixel in the left image, to find the corresponding pixel in the right image. This allows the correspondence of objects of interest, which can be useful in applications such as video surveillance and autonomous vehicles. Many factors make this task difficult. It has difficulties related to the stereo aspect of the problem, as well as having to establish correspondences between images from different domains, which is hard since there is not much common information between those. Methods in the literature are based on handcrafted feature descriptors, but we believe that it is possible to obtain better methods if we use convolutional neural networks.


identifier: Garcia Perez, J. (2020). Lattice Boltzmann Approach for the Modeling and Simulation of Water Droplets Impact and Freezing  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'impact et la congélation des gouttelettes d'eau constituent la base du givrage sur les drones. Ce processus transitoire impliquant un transfert de masse et de chaleur entraîne des effets de givrage indésirables. Afin de diminuer le danger des opérations, ce phénomène pourrait être réduit avec l'utilisation des revêtements “glaçophobes”. Des informations détaillées sur un processus aussi complexe peuvent être obtenues à partir de la simulation numérique de la solidification à l'échelle des gouttes. Dans ce contexte, la méthode Lattice Boltzmann est apparue comme une alternative prometteuse pour la simulation d'écoulements polyphasiques et de matériaux à changement de phase. Ce mémoire présente un modèle de Boltzmann sur réseau multi-phasique avec changement de phase pour étudier l'impact des gouttelettes sur une surface froide suivi de la solidification. Le modèle proposé combine un modèle de changement de phase thermique à un composant avec un modèle multi-phasique. Ces deux modèles sont vérifiés séparément. Le modèle pseudo-potentiel avec une équation d'état réelle est utilisé pour simuler des ratios de densité élevés. Le modèle thermique est basé sur l'enthalpie et permet la modélisation du changement de phase. Le couplage se fait par la méthode de frontières immergées qui traite l'interface solide-liquide. Le modèle couplé sera utilisé pour effectuer une comparaison qualitative avec des résultats expérimentaux et de simulation pour la congélation des gouttelettes en équilibre sur une surface. Par la suite, l'effet de plusieurs paramètres sur le processus de congélation est analysé. Les résultats de la simulation révèlent que les surfaces hydrophobes permettent de retarder le processus de congélation en raison de la réduction de l'aire du contact avec la surface. De plus, une température plus froide de la plaque entraînera une réduction du temps de congélation total. En ce qui concerne l'impact et le gel des gouttelettes d'eau, l'augmentation de la vitesse d'impact entraînera une plus grande aire de contact avec la sur- face. Cela fournira une plus grande surface pour le transfert de chaleur et, par conséquent, la congélation des gouttelettes sera plus rapide. Dans le même cas, les surfaces hydrophiles offrent une congélation anticipée car l'étalement sur la surface est plus important. Enfin, pour démontrer l'adaptabilité du modèle, nous simulons l'impact et le gel des gouttelettes sur un profil aérodynamique.  ABSTRACT: Water droplets impacting and freezing represent the basis of ice accretion on airframe of unmanned aerial vehicles (UAVs). This transient process involving mass and heat transfer leads to undesired icing effects. To mitigate the hazard caused by this phenomenon, icephobic coating can be used. Detailed information on such a complex process can be acquired from the numerical simulation that directly solves the solidification process at the droplet scale. In this context, the Lattice Boltzmann method has emerged as a promising approach for simulating multi-phase flows and phase change. The present thesis presents a multi-phase Lattice Boltzmann model with phase change for studying droplet impact on a cold surface followed by a solidification process. The proposed model combines a thermal single-component phase change model with a multi-phase model. These two models are verified separately. The pseudo-potential model with a real equation of state is used to simulate large density ratios of multi-phase flows. The thermal model is based on the enthalpy and allows the phase change modeling. The coupling is made through the immersed moving boundary method that handles the solid-liquid interface. The coupled model will be used to perform a qualitative comparison with experimental and simulation results for a static droplet freezing. Subsequently, the effect of several parameters on the freezing process is analyzed. Simulation results reveal that hydrophobic surfaces allow delaying the freezing process because of the reduced area in contact with the surface. Besides, a cooler temperature of the plate will result in a reduction of the total freezing time. Regarding the impact and freezing of water droplets, the augmentation of impact velocity will lead to a larger contact area with the surface. This will provide a larger area for heat transfer and as a result, the freezing of the droplet will be faster. For the same case, hydrophilic surfaces provide anticipated freezing as the spreading on the surface is larger. Finally, to demonstrate the adaptability of the model, we simulate droplets impact and freezing on an airfoil.


identifier: Huang, W. (2020). Analysis of Through-Thickness Injection in Liquid Composite Molding Based on Digital Material Twins  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les composites à base de renforts tissés possèdent des propriétés mécaniques exceptionnelles et sont largement appliqués dans les domaines aérospatiaux et automobiles. Leur fabrication par moulage de liquide (LCM) compte parmi les procédés de mise en forme courants. Même après une optimisation continue à travers des décennies de développement, des défauts peuvent exister dans les pièces finales. L'une des raisons principales est que le textile possède une architecture spéciale à l'échelle méso-microscopique, ce qui présente des difficultés dans l'analyse de plusieurs phases critiques de fabrication, comme l'imprégnation et le compactage. En outre, dans le cas des fabrications sous membrane comme dans l'injection flexible par exemple, des défauts peuvent apparaître en raison de flambements locaux de la membrane. Cette thèse vise à combiner des méthodes expérimentales fondées sur la microtomographie aux rayons X avec de nouvelles approches numériques pour construire un système d'analyse multi-échelle d'une série de problèmes mécaniques critiques dans les procédés de moulage liquide LCM. Les différents objectifs ont été réalisés à travers 6 articles présentés dans les chapitres suivants : 1. Une nouvelle approche de modélisation géométrique est développée dans l'article 1 pour générer un modèle mésostructural des renforts fibreux tissé à partir de la microtomographie au rayons X. Cette nouvelle approche appelée «Micro-CT Aided Geometric Modeling» (Micro-CT AGM) permet de créer des modèles géométriques des composites à fibres continues appelés "Digital Material Twin" (DMT), qui fournissent une description morphologique détaillée de la structure mésoscopique des renforts tissés. Un élément original ici consiste à évaluer la précision du DMT au moyen d'une analyse multi-critères. 2. Dans le deuxième article, plusieurs facteurs critiques sont pris en compte, comme la pression d'injection et l'imbrication entre les couches («nesting»), pour améliorer la méthode de mesure de la perméabilité transversale saturée d'un renfort tissé. Les modèles géométriques créés sont utilisés pour simuler l'écoulement à l'échelle mésoscopique et prédire la perméabilité des renforts. Les prédictions numériques réalisés à partir des DMT sont comparées avec succès avec des résultats expérimentaux. 3. L'évolution des caractéristiques morphologiques de la mésostructure d'un renfort tissé pendant la phase de compaction à travers l'épaisseur a été analysée dans les articles 3 viii et 4. Une nouvelle approche de corrélation de points a été développée pour analyser quantitativement la déformation mésoscopique des mèches d'un renfort tissé. 4. Enfin, pour étudier les problèmes de flambement des membranes utilisées dans certains procédés LCM, un modèle réduit fondé sur un développement en série de Fourier est construit dans l'article 5 pour simuler efficacement et avec précision l'ensemble du processus d'instabilité. Le modèle est ensuite amélioré dans l'article 6 pour étudier les mécanismes de flambement d'une membrane circulaire sous diverses charges. En résumé, plusieurs nouvelles approches numériques et expérimentales ont été développées à différentes échelles afin de fournir des outils pour analyser plusieurs problèmes mécaniques critiques dans les procédés d'injection flexible à travers l'épaisseur et sous membrane déformable dans la fabrication des composites à haute performance par moulage liquide LCM.  ABSTRACT: Woven fabric reinforced composites possess outstanding mechanical properties and are thus widely used in the aerospace and automobile fields. Liquid Composite Molding (LCM) has now become a common composite manufacturing process. However, even after decades of development and optimization, defects still exist in final parts. One of the principal reasons is that the textile has a special architecture at the meso-microscopic scale, which makes difficult the analysis of several key stages in LCM such as the impregnation and compaction of the fibrous reinforcement. Besides, problems arising in manufacturing might also lead to defects, such as the wrinkling of the deformable membrane employed in some LCM processes like Flexible Injection for example. The thesis aims at combining advanced experimental testing methods based on X-ray microtomography with novel numerical approaches to conduct multi-scale analyses of critical mechanical issues in LCM processes. The objectives are achieved through 6 articles as follows: 1. Based on Micro-CT scanning, a novel geometric modeling approach was developed in article 1 to generate mesostructural models of woven fibrous reinforcement in the first article, called Micro-CT Aided Geometric Modeling (Micro-CT AGM). A new concept known as "Digital Material Twin" (DMT) is proposed to provide a detailed morphological description of the material structure at the mesoscopic scale. 2. In the second article, several key factors are taken into account to evaluate the transverse permeability of fibrous reinforcements such as the injection pressure and nesting between fabric layers. Digital material twins of different fiber volume contents are constructed to conduct flow simulations in fabrics at the mesoscopic scale and predict the transverse permeability. Numerical predictions of transverse permeability based on DMT are compared with success with experimental measurements. 3. Based on digital material twins, the evolution of the morphological features of fabrics under transverse compaction is studied in articles 3 and 4. A new contour point correlation method is developed to quantitatively evaluate the mesoscopic deformation of fiber tows, which illustrates the effect of material variability on the compressibility of fibrous reinforcements. 4. Concerning membrane wrinkling problems in LCM processes, a reduced model based on Fourier series expansion is constructed in article 5 to efficiently and accurately x simulate the entire instability process. The model is then further improved in article 6 to investigate the wrinkling mechanisms of a circular membrane under various loads. In summary, several numerical and experimental approaches were developed at different scales to provide analytical tools to study critical mechanical issues arising in flexible injection (through the thickness of the composite under a deformable membrane) during the fabrication by LCM. This new approach can improve advanced numerical predictions of composite manufacturing processes based on through-thickness impregnation and contribute to develop more efficient LCM processes with parts of improved quality.


identifier: Combe, M. (2020). Caractérisation de mousses solides obtenues par expansion de billes de celluloïd  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les contenants à poudres propulsives combustibles sont développés dans le but d'éliminer les résidus de contenants à poudre après la mise à feu des armes. Les contenants combustibles actuels ne rencontrent pas entièrement leur objectif. Malgré le développement de matières combustibles adaptées à cette application, des résidus de contenant persistent après leur utilisation. Une solution permettant d'obtenir des contenants de géométrie complexe, combustibles et ne laissant pas de résidus pourrait être la création d'une mousse solide par moulage vapeur à partir de billes de celluloïd.  ABSTRACT: Combustible propellant casings have been developed to eliminate combustion residues after firings. Current combustible casings do not fulfill this objective. Despite the development of burning materials adapted to this application, casing residues are still found after use. A solution allowing to produce casings of complex geometry, burnable and not leaving residues after use could be the production of a solid foam manufactured by expansion of celluloid beads.


identifier: Gonzalez Jurado, J. E. (2020). Machine learning-driven hybrid optimization based on decision diagrams  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les problèmes d'optimisation combinatoire se posent dans de nombreux domaines des mathématiques et de l'informatique, ainsi que dans des applications telles que l'ordonnancement et la planification. Malgré des décennies de développement des différentes technologies d'optimisation, certains problèmes combinatoires restent encore difficiles à résoudre. Le développement d'outils d'optimisation génériques pour résoudre ces problèmes difficiles est donc un domaine de recherche actif et continu. Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux mécanismes d'optimisation hybrides qui exploitent les avantages complémentaires de différents paradigmes, à savoir, (i) l'optimisation basée sur les diagrammes de décision (ODD), (ii) la programmation en nombres entiers (PNE), et (iii) l'apprentissage automatique (AA) pour améliorer les méthodes d'optimisation. Dans une première contribution, nous explorons l'utilisation de l'AA pour discriminer la difficulté des instances uniquement en fonction de caractéristiques spécifiques du problème. Nous montrons que l'AA peut effectivement révéler des patrons cachés sur le problème qui rendent sa résolution facile ou difficile par un solveur de PNE. De plus, les fonctions apprises (classificateurs) se révèlent utiles pour fournir des informations au solveur de PNE afin d'ajuster sa configuration et d'augmenter sa performance. Deuxièmement, nous proposons une approche d'optimisation hybride en combinant l'ODD et la PNE. Nous nous appuyons sur le rôle que les diagrammes de décision (DD) de taille limitée peuvent jouer en tant qu'arbre de recherche. De plus, nous exploitons la machinerie très developpée des solveurs PNE pour concevoir de nouveaux mécanismes permettant d'explorer, de manière collaborative, l'espace de solution. En outre, l'AA est utilisé pour améliorer les performances du solveur hybride en fournissant des informations utiles lors de l'exploration. Les expériences de calcul montrent que si une structure appropriée est révélée, l'approche intégrée est supérieure aux solveurs basées soit uniquement sur les DD, soit sur la PNE. Enfin, dans une troisième contribution, une nouvelle représentation du problème basée sur les DD est proposée pour le problème quadratique du stable maximum, une version plus difficile et non linéaire du problème du stable maximum. De plus, un algorithme hybride ODD-PNE est étendu en considérant les fonctionnalités de programmation quadratique d'un solveur PNE et une intégration plus étroite de l'AA pour guider l'exploration de l'espace de solution. L'algorithme proposé est plus performant qu'un solveur basé sur la programmation semi-définie et deux solveurs PNE commerciaux majeurs.  ABSTRACT: The discrete and finite nature of combinatorial optimization problems arises in many areas of mathematics and computer science as well as in applications such as scheduling and planning.Despite decades of development and remarkable speedups in general-purpose solvers, some combinatorial problems are still difficult to be solved. The design of generic optimization solvers to tackle such challenging problems is a continuous and active research area. In this dissertation, we propose novel hybrid optimization mechanisms that exploit complementary strengths from different paradigms. The integrated mechanisms leverage (i) the decision diagram-based optimization (DDO) solving approach, (ii) a more mature technology such as mixed-integer programming (MIP), and, finally, (iii) the use of machine learning (ML) to enhance optimization methods. In a first contribution, we explore the use of ML for combinatorial optimization. We employ a learning framework to discriminate instance hardness as a function of problem-specific features. We show that ML can effectively reveal hidden patterns that make the problem either easy or difficult to be solved through a MIP solver. Moreover, the trained classifiers prove useful to adjust the MIP solver configuration and boost the performance. Second, we propose a hybrid optimization approach combining DDO and MIP. We rely on the role that limited-size DDs play as a search tree. We then exploit the mature machinery of MIP solvers and design novel mechanisms to explore, in a collaborative way, the solution space. In addition, ML is employed to enhance the hybrid solver performance by providing useful information during search. Computational experiments show that if suitable structure is revealed, the integrated approach outperforms both stand-alone DD and MIP solvers. Finally, in a third contribution, a novel problem representation based on DDs is proposed for the quadratic stable set problem, a more difficult and nonlinear version of the maximum independent set problem. Furthermore, a hybrid DD-MIP algorithm is extended by considering the quadratic programming capabilities of a MIP solver and a more tightly integration of ML to guide the exploration of the solution space. The proposed algorithm provides state-of-theart results when compared with a semidefinite programming-based solver and two leading commercial MIP solvers.


identifier: Shakeri, S. (2020). Deformable MRI to Transrectal Ultrasound Registration for Prostate Interventions Using Deep Learning  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer de la prostate est l'un des principaux problèmes de santé publique dans le monde. Un diagnostic précoce du cancer de la prostate pourrait jouer un rôle vital dans le traitement des patients. Les procédures de biopsie sont utilisées à des fins de diagnostic. À cet égard, l'échographie transrectale (TRUS) est considérée comme un standard pour l'imagerie de la prostate lors d'une biopsie ou d'une curiethérapie. Cette technique d'imagerie est relativement peu coûteuse, peut scanner l'organe en temps réel et est sans radiation. Ainsi, les scans TRUS sont utilisés pour guider les cliniciens sur l'emplacement d'une tumeur à l'intérieur de la prostate. Le défi majeur réside dans le fait que les images TRUS ont une faible résolution et qualité d'image. Il est difficile de distinguer l'emplacement exact de la tumeur et l'étendue de la maladie. De plus, l'organe de la prostate subit d'importantes variations de forme au cours d'une intervention de la prostate, ce qui rend l'identification de la tumeur encore plus difficile.  ABSTRACT: Prostate cancer is one of the major public health issues in the world. An accurate and early diagnosis of prostate cancer could play a vital role in the treatment of patients. Biopsy procedures are used for diagnosis purposes. In this regard, Transrectal Ultrasound (TRUS) is considered a standard for imaging the prostate during a biopsy or brachytherapy procedure. This imaging technique is comparatively low-cost, can scan the organ in real-time, and is radiation free. Thus, TRUS scans are used to guide the clinicians about the location of a tumor inside the prostate organ. The major challenge lies in the fact that TRUS images have low resolution and quality. This makes it difficult to distinguish the exact tumor location and the extent of the disease. In addition, the prostate organ undergoes important shape variations during a prostate intervention procedure, which makes the tumor identification even harder.


identifier: Boyadjian, O. (2020). Conception d'un dispositif de camouflage microfluidique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis la réalisation d'un camouflage optique en 2006, le concept de masquer la présence d'un objet au regard d'une certaine grandeur physique s'est répandu dans tous les domaines de la physique. De nombreuses équipes se sont alors donné pour objectif de faire en sorte qu'un trou dans un milieu 2D ne soit pas détectable en mesurant un champ physique donné loin de celui-ci. La majorité de ces camouflages se sont appuyés sur des matériaux entièrement structurés par l'homme afin de présenter des propriétés inobservées dans la nature, appelés "métamatériaux". Bien que de nombreux camouflages physiques aient été réalisés grâce à ceux-ci, à ce jour aucun d'entre eux ne peut dissimuler un objet à la fois d'un écoulement (i.e. en pression et en vitesse) et de transport chimique ou thermique (i.e. en concentration ou température). Cela serait pourtant très utile en génie biomédical, et plus particulièrement dans le domaine des biocapteurs, où des surfaces sensibles sont placées dans un écoulement microfluidique incident chargé en espèces chimiques, incluant des parasites. Un problème récurrent des biocapteurs est l'adsorption non spécifique de ces parasites dans les liaisons entre éléments biologiques et surfaces physiques, qui réduit la spécificité, la sensibilité et la reproductibilité des mesures. Un camouflage microfluidique d'écoulement et de transport permettrait de protéger les surfaces sensibles de ce phénomène, tout en éliminant l'influence croisée que les surfaces voisines ont les unes sur les autres dans les études multiplexées. Le travail présenté ici consiste à concevoir un tel dispositif de camouflage microfluidique. Dans le cadre des biocapteurs, il faut que le camouflage puisse être interrompu au moment oppor-tun, qui correspond typiquement au ratio maximal entre les concentrations d'analytes et de parasites, puis réactivé après mesures. Même si au prix d'une grande complexité structurelle certains métamatériaux disposent de propriétés physiques modifiables, la zone camouflée reste quant à elle figée. Par conséquent, on doit trouver une stratégie de dissimulation n'impliquant pas de métamatériaux solides. On choisit ici de se baser sur une réinterprétation microflui-dique du "paradoxe de d'Alembert", inspirée par des analogies fortes avec les camouflages optiques. Tout d'abord, un cadre théorique est donné à cette stratégie impliquant des obstacles flui-diques appelés "corps de Rankine". On justifie puis développe des modèles d'écoulements potentiels pour décrire leur contour. On trouve alors que le système est théoriquement apte à camoufler un obstacle en termes de champ de vitesses. Ensuite, on prend en compte les e˙ets visqueux pour trouver la relation entre la taille de l'obstacle et la chute de pression dans le système, qui s'avère être d'ordre 2 et permet donc un camouflage en pression eÿcace pour des obstacles suÿsamment petits. Une fois le camouflage caractérisé mécaniquement, on propose un modèle analytique pour les échanges d'espèces et de chaleur s'y produisant. Cependant, ce modèle ne permet pas de conclure sur le camouflage en concentration ou en température loin en aval. Pour faire un pas vers le dimensionnement expérimental du camouflage, on passe à l'outil numérique en réalisant des simulations par éléments finis. Celles-ci révèlent l'influence qu'ont les di˙érents paramètres du système sur l'allure du camouflage, et donnent une première idée de la contrôlabilité du système. Certains résultats numériques permettent alors de condition-ner le camouflage chimique au caractère convectif de l'écoulement, associé à un haut nombre de Péclet. Une fois combinées à la théorie, ces simulations produisent un jeu de paramètres permettant l'implémentation expérimentale d'un dispositif de camouflage. Plusieurs designs sont alors fabriqués et testés, jusqu'à parvenir à une version stable et eÿcace réalisée par impression 3D. L'écoulement et le transport dans ce dispositif sont alors évalués expérimentalement et com-parés aux résultats théoriques, qui sont en très bon accord. Plus précisément, on montre que l'on dispose d'un contrôle précis sur la forme de l'interface du camouflage ainsi que sur les échanges chimiques ou thermiques y ayant lieu. On prouve aussi que le camouflage peut être modifié, activé ou désactivé en quelques dizaines de secondes. On démontre ensuite qu'il peut servir de filtre en géométrie "ouverte", et obéit aux mêmes lois d'échelles que les autres filtres microfluidiques classiques. Pour finir, on valide que ce camouflage peut e˙ectivement protéger une surface de l'adsorption d'une espèce indésirable dans un écoulement pendant de longues périodes de temps. Un tel camouflage microfluidique peut donc fortement contribuer au génie biomédical en rendant les biocapteurs moins vulnérables à l'adsorption non spécifique, mais dépasse aussi ce cadre puisqu'il peut fonctionner avec n'importe quelle surface sensible, comme un tapis cellulaire ou des tranches de tissu. De plus, ce dispositif constitue un apport intéressant au secteur de la microfluidique "ouverte", dont il est à ce jour le seul filtre connu. Enfin, il présente un fort attrait en physique de par sa contribution au domaine florissant des camouflages, en proposant une stratégie inédite de dissimulation pour les grandeurs d'écoulement et de transport.  ABSTRACT: Since the realization of an optical cloak in 2006, the idea of hiding the presence of an object with respect to a certain physical measure has spread to every field of physics. Many have tried before to make a hole in a 2D medium that could not be detected by measuring a given physical field afar. Most of these cloaks relied on materials entirely man-made to exhibit properties not observed in nature, called "metamaterials". Although many physical cloaks have been obtained using such materials, to date none of them can conceal an object from both flow (i.e. pressure and velocity) and chemical or thermal transport (i.e. concentration or temperature). However, this would be very useful in biomedical engineering, especially in the field of biosensors, where sensitive surfaces are placed within an incident microfluidic flow loaded with chemical species, including parasites. A recurring biosensors problem is the non-specific adsorption of these parasites in the bonds between biological elements and the physical surface, which reduces the specificity, sensitivity and reproducibility of the measurements. A microfluidic flow and transport cloak would protect sensitive surfaces from this phenomenon, while eliminating the cross-influence that neighboring surfaces have on each other in multiplexed studies. The work presented here consists in designing such a microfluidic cloaking device. In the context of biosensors, the cloak must be able to be deactivated at the appropriate time, which typically corresponds to the maximum ratio between analyte and parasite concentrations, and then reactivated after measurements. Even if at the cost of high structural complexity some metamaterials have modifiable physical properties, the concealed area remains fixed. Therefore, a cloaking strategy that does not involve solid metamaterials must be found. We choose here to rely on a microfluidic reinterpretation of the "d'Alembert's paradox", inspired by strong analogies with optical cloaking. First of all, a theoretical framework is given to this strategy involving fluidic obstacles called "Rankine bodies". We justify the use and develop potential flow models to describe their contours. It is then found that the system is theoretically capable of cloaking an obstacle in terms of velocity field. Then, the viscous e˙ects are taken into account to find the relationship between the size of the obstacle and the pressure drop in the system, which turns out to be a second order power law and thus allows an e˙ective pressure cloak for suÿciently small impediments. Once the cloak is mechanically characterized, an analytical model is proposed to describe the species and heat exchanges occurring within it. However, this model does not allow a firm conclusion about concentration (or temperature) cloaking far downstream.To take a step towards realizing the cloak experimentally, we switch to the numerical tool by carrying out finite element simulations. These reveal the influence of the various system parameters on the cloak shape and give us a first glance at the controllability of the system. Some of these numerical results can be used to condition the chemical cloaking eÿciency to the convective aspect of the flow, associated with a high Péclet number. Once combined with the theory, these simulations produce a set of parameters allowing the experimental implementation of a cloaking device. Several designs are then manufactured and tested, until a stable and eÿcient version is produced by 3D printing. Flow and transport in this device are then experimentally investigated and compared to the theoretical results, which are in very good agreement. Specifically, it is shown that one has a precise control over the shape of the cloak interface as well as the chemical or thermal exchanges taking place in it. It is also shown that the cloak can be modified, activated or deactivated in a few tens of seconds. It is then demonstrated that it can be used as a filter in an "open-space" geometry and obeys the same scaling laws as other conventional microfluidic filters. Finally, we validate that this cloak can e˙ectively protect a surface adsorption in an undesirable species flow for long periods of time. Such microfluidic cloak can therefore make a significant contribution to biomedical engineer-ing by making biosensors less vulnerable to non-specific adsorption, but its applications also go beyond this field since the cloak can work with any sensitive surface, such as a cell layers or slices of tissue. Moreover, this device is an interesting contribution to the "open" microfluidics sector, of which it is to date the only known filter. Finally, it has a strong appeal in physics due to its contribution to the flourishing field of cloaking, by proposing a novel concealment strategy for flow and transport quantities.


identifier: Beaulieu, C. (2020). Impact de la ségrégation granulaire sur le transfert de chaleur dans un lit rotatif  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Alors que les conséquences de la crise environnementale se font sentir partout autour de la planète, il devient urgent de trouver des sources d'énergie alternatives pour remplacer les ressources fossiles. Ecolomondo, une compagnie montréalaise, désire répondre à cette recherche d'énergie propre en proposant un procédé de pyrolyse de pneus usés. Ce procédé permet de convertir des pneus usés, qui représentent souvent de hauts risques de contamination des sols, des nappes phréatiques et de l'air, en biodiésel pouvant remplacer l'essence issue du pétrole. Cependant, lors de la conversion thermique des morceaux de pneus dans un four rotatif à l'échelle industrielle, plusieurs problèmes peuvent survenir. Entre autres, la température à l'intérieur du réacteur, mesurée à un endroit précis grâce à un thermocouple, subit des changements brusques et imprévus de valeurs. Ces mesures de température variables rendent le contrôle et l'optimisation de la réaction très difficiles, voire dangereux.  ABSTRACT: Climate change consequences have started to be omnipresent all around the world. To respond to these challenges, many industries are trying to find renewable energy sources to lower our dependency to fossil fuels. One example of these new technologies is the production of biofuel from waste, such as scrap tire pieces. In addition of producing biofuel that can replace fuel from oil resources, the pyrolysis of scrap tires is a good avenue to get rid of a waste that accumulates in many places in the world and represents a hazard for wild fires, which can pollute soils, waters and airs. However, pyrolysis of scrap tires is not easy to scale up at an industrial level to be competitive. In the big rotary kilns that are used to heat up the pieces of tires, the temperature is measured at a specific location using a thermocouple probe. This temperature fluctuates a lot in time and makes the process very hard to control and optimize.


identifier: Comtois, É. (2020). Performance, Erosivity and Mechanical Properties of Plasticized Nitrocellulose and the Performance of Azidodeoxycellulose as a Propellant Additive  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La fabrication de propulsif à faible érosion ainsi que l'innovation dans le secteur des contenants combustibles thermoplastiques sont limitées par de multiples facteurs : l'absence de matériel thermoplastique capable de se consumer sans laisser de résidus et l'usure prématurée des systèmes d'armes causée par l'érosion associée à la haute température de combustion des propulsifs. Ces deux facteurs ont été adressés dans cet ouvrage.Des mélanges de nitrocellulose (NC) plastifiés par la nitroglycérine (NG) et le polyazoture de glycidyl (GAP) ont été caractérisés afin d'obtenir les propriétés thermomécaniques, les propriétés de combustion et l'érosivité relative des mélanges. Le GAP n'a pas démontré qu'il pouvait efficacement plastifier la nitrocellulose à cause de son incapacité à se situer entre les chaînes de NC. Cependant, de bonnes propriétés plastifiantes ont été obtenues en utilisant un mélange composé de NG et de GAP. Cette plastification accrue est expliquée par la capacité de la NG de distancer les chaînes de NC permettant ainsi au GAP d'agir comme un bon plastifiant. Les mélanges obtenus présentent des transitions vitreuses en dessous de la température de décomposition de la NC et similaires à celles mesurées pour d'autres matériaux thermoplastique dérivés de la cellulose. Les propriétés de combustion étudiées dans cette thèse permettent une meilleure compréhension des mélanges de NC, NG et GAP et faciliteront le développement de nouvelles formulations et applications dans le domaine des matériaux énergétiques.  ABSTRACT: The manufacturing of improved propellant formulations and thermoformable combustible containers is limited by multiple factors. This thesis addresses two of them: the lack of cleanburning thermoplastic binders and the premature wear of components due to the high erosivity associated with increased propellant temperature. In order to address the lack of clean-burning thermoplastic binders, the thermo-mechanical properties, combustion properties, and relative erosivity of nitrocellulose (NC) plasticized using a system of plasticizer comprised of low-molecular weight nitrate ester and low-molecular weight azido polymer were investigated. Glycidyl azide polymer (GAP) did not prove to be an efficient plasticizer due to its inability to situate between NC chains. Good plasticization was obtained when using a plasticizer system comprised of both nitroglycerine (NG) and GAP. This increased plasticization is explained by the ability of NG to situate itself between NC chains, separating them and thus allowing GAP to act as an effective plasticizer. Glass transition temperatures below the onset of decomposition of NCs and similar to what is observed in the thermoforming of other cellulose-base thermoplastic material were obtained. The combustion properties documented in this study provide a better understanding of the combustion properties of NC, NG and GAP formulations, which are useful for the future development of novel energetics and applications.


identifier: Bellahsen, A. (2020). L'intelligence artificielle au service de l'optimisation de l'énergie électrique dans un réseau intelligent  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Afin de maintenir l'équilibre entre l'offre et la demande d'électricité, l'utilisation d'une planification opérationnelle fiable est un aspect important de la gestion du système électrique. Pour de nombreux services, les consommateurs doivent payer plus cher l'électricité pendant les périodes de pointes. Par conséquent, si les consommateurs possèdent une connaissance à l'avance des informations sur les pointes de la demande électrique, ces coûts supplémentaires peuvent être évités car ils pourront mieux gérer leur utilisation de l'énergie électrique. Pour cela, des prévisions précises de la demande d'électricité et donc des informations crédibles sur les pointes de puissance vont assurer un approvisionnement en électricité fiable, car d'un point de vue du fournisseur elles donnent le temps d'anticiper son offre, et d'un point de vue du consommateur elles peuvent être d'une grande utilité pour réduire le coût de l'électricité. Maintenant, lorsqu'il s'agit de prédire la consommation de puissance future d'un groupe de consommateurs avec des profils hétérogènes comme c'est le cas dans les bâtiments résidentiels, commerciaux ou institutionnels, il est nécessaire de savoir que les consommateurs peuvent avoir selon plusieurs critères leur propre comportement, une autre difficulté s'ajoute donc au problème. En effet, il devient primordial de tenir en compte l'aspect comportemental de chacun et donc de comprendre comment les consommateurs agissent à chaque moment.Sans bien connaître cet aspect, le modèle de prédiction ne sera pas robuste aux changements brusques dans les habitudes quotidiennes de chacun. Il est également crucial de pouvoir porter de l'assistance chaque consommateur dans la gestion de sa consommation d'énergie, tout en essayant de maximiser son confort car cela peut permettre un gaspillage minimal d'énergie avec des changements de comportement mineurs de la part des consommateurs puisque la flexibilité permise par la demande d'électricité combinée aux incitatifs de la part du système électrique peuvent créer davantage de possibilités pour la gestion de la demande. Globalement, appliquer ce principe sur une plus grande échelle contribuera pleinement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Ce mémoire est donc construit à travers deux grands objectifs : le premier étant de créer des modèles précis de prédiction de la charge électrique, le second concerne la gestion de la demande électrique et la maximisation du confort du consommateur, ce dernier sera traduit par le contrôle de la température de chaque pièce à une consigne du consommateur. Le premier objectif s'oriente autour d'une étude comparative et approfondie de trois principaux algorithmes d'apprentissage profond largement utilisés pour la prédiction de séries chronologiques à court terme. Cette étude fera rentrer en jeu un ensemble de données se composant de l'historique de puissance consommée sur cinq bâtiments hétérogènes d'un campus universitaire à Montréal. L'historique de puissance est récolté à l'aide de compteurs intelligents chaque 15 minutes pendant les années 2015 et 2016. D'autres données externes liées à la météo et le calendrier seront ajoutées par la suite afin d'extraire les effets saisonniers et prendre en compte le comportement des consommateurs. Le but de cette étude sera de trouver le meilleur algorithme et la meilleure stratégie afin de construire un modèle capable de prédire avec une grande précision la consommation de puissance future à court terme au niveau du campus et sur plusieurs horizons. Aussi, ce modèle nous permettra d'avoir des informations fiables concernant les pointes d'électricité. La deuxième partie de cette recherche, faite en collaboration avec un étudiant doctorant, vise à fournir une étude approfondie sur la gestion de l'énergie et du confort en utilisant l'apprentissage par renforcement, qui est un processus essai-erreur où un agent autonome apprend à remplir une tâche en interagissant avec son environnement et en prenant ses propres décisions de façon à optimiser une récompense au cours du temps. Par conséquent, l'agent devra trouver la bonne politique qui lui permettra d'obtenir une récompense maximale sur toute la période de contrôle. Des agents capables de bien agir sur des charges contrôlées par thermostat ont été construits en utilisant des données synthétiques, puis testés sur diverses combinaisons de pièces, chaque pièce contenant une charge contrôlée par thermostat. Par la suite cette étude a pu prouver que donner les résultats de prédiction de la charge électrique comme information à l'agent était très efficace car comparée au schéma où ces résultats ne sont pas fournis, elle a permis de réduire jusqu'à 73 % la consommation d'énergie pendant les périodes de pic. Enfin, cette étude a été également l'objet d'une évolution vers la mise en œuvre d'un agent généralisé fiable, appelé GA2TC, capable de bien gérer l'énergie électrique et de maximiser le confort dans des bâtiments, quelle que soit leur architecture ou leur dimension. Cet agent a été développé dans le but d'éviter de construire une solution spécialement pour chaque bâtiment et, à la place, d'utiliser un seul agent adaptable à tous types de pièces et donc de bâtiments. Ce travail permettra une fluidité et une avancée rapide dans le domaine électrique ainsi que dans des domaines similaires, où la difficulté réside principalement dans la modélisation de solutions spécifiques à certains types de problèmes. En conclusion, ce mémoire contribue à la découverte de nouvelles approches basées sur de l'apprentissage machine ainsi qu'à la mise en œuvre de leurs applications dans le réseau intélligent (Smart Grid). Il fournit également une avancée et une nouvelle approche dans la manière de gérer les systèmes électriques dans les bâtiments, en prenant en compte dans certains cadres les prévisions de consommations futures. Toutefois, des limites techniques liées au manque de ressources de calcul pour perfectionner nos modèles de prévision et de gestion,et à la modélisation simplifiée du monde réel quant aux environnements des bâtiments, offrent de nouveaux défis à relever et des perspectives d'études élargies.  ABSTRACT: In order to maintain the balance between electricity demand and supply, the use of reliable operational planning is an important aspect of power system management. For many services, consumers must pay more for electricity during periods of high demand like during cold weather, big events or football matches. Therefore, if consumers have prior knowledge of electricity peak information, these additional costs can be avoided as they will help them better manage their use of electrical energy. For this, accurate forecasts of energy demand and thus reliable information on the expected peak of power will ensure a reliable supply of electricity, because from a supplier's point of view, it gives time to anticipate its supply, and from a consumer's point of view, it can be of great use in reducing the cost of electricity. Now, when it comes to predicting the future power consumption of a group of consumers with heterogeneous profiles, as it is the case in residential, commercial or institutional buildings, it is necessary to know that consumers have their own behaviour according to several criteria, so another difficulty is added to the problem. Indeed, it becomes essential to take into account the behavioural aspect of each person, and therefore to understand how consumers act at each moment. Without a good knowledge of this aspect, the prediction model will not be robust enough to abrupt changes in the daily habits of each individual. It is also crucial to be able to assist each consumer in managing their energy consumption, while trying to maximize their comfort, as this can allow minimal energy waste with minor changes in consumer behaviour since the flexibility allowed by the electricity demand combined with incentives from the power system can create more opportunities for energy saving. On a broader level, applying this principle on a larger scale will make a significant contribution to reducing global greenhouse gas emissions. This paper is therefore built around two main objectives: the first is to create accurate models for predicting the electrical demand, and the second is to minimize and manage the consumed electrical power and maximize consumer comfort, which will be translated into the control of the temperature set point each room at a consumer instruction. The first objective is based on a comparative and in-depth study of three main deep learning algorithms widely used for short-term time series prediction. This study will bring into a real data set consisting of the power consumption history of five heterogeneous buildings on a university campus in Montreal. The power history is collected using smart meters every 15 minutes during the years 2015 and 2016. Other external data related to weather and calendar will be added later on to extract seasonal effects and take into account consumer behaviour. The goal of this study will be to find the best algorithm and strategy to build a model capable of predicting with high accuracy the future power consumption at the campus level, and thus to have reliable information about electricity peaks. The second part of this research, done in collaboration with a PhD student, aims to provide an in-depth study of energy and comfort management using reinforcement learning, which is a trial-and-error process where an autonomous agent learns to perform a task by interacting with its environment and making its own decisions in order to optimize a reward over time. Therefore, the agent will need to find the right policy to reach maximum reward over the entire control period. Agents capable of acting well on thermostatically controllable loads have been constructed using synthetic data and then tested on various combinations of rooms, each room containing a thermostatically controllable load. Subsequently this study proved that giving the prediction results of the electrical load as information to the agent was very effective as it allowed us to reduce energy consumption by up to 73% compared with having no prediction information. Finally, this study was also the subject of an evolution towards the implementation of a reliable generalized agent, called GA2TC, capable of managing electrical energy and maximizing comfort in buildings, regardless of their architecture or size. This agent has been developed with the aim of avoiding constructing a solution specifically for each building, and instead using a single agent adaptable to all types of rooms and therefore buildings. This work will allow fluidity and rapid progress in the electrical field as well as in similar fields, where the difficulty lies mainly in modeling specific solutions to specific types of problems. In conclusion, this research contributes to the discovery of new approaches based on machine learning as well as to the implementation of their applications in the smart grid field. It also provides an advanced and innovative approach in the way of managing electrical systems in buildings, taking into account in some frameworks the forecasts of future consumption. However, technical limitations related to the lack of computational resources to refine our prediction and control models, and simplified real-world modeling of building environments, offer new challenges and expanded study opportunities.


identifier: Farid, O. (2020). Extraction des connaissances en géométrie plane à partir d'énoncés de problèmes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'émergence actuelle des tuteurs intelligents est appelée à transformer les modes d'enseignement traditionnels. Ces tuteurs intelligents permettent un accompagnement et un soutien personnalisés à chaque élève, et ainsi diminuent la surcharge de travail pour l'enseignant, qui peut alors consacrer plus de temps aux élèves qui ont besoin d'un soutien particulier. Dans ce travail, nous nous intéressons aux tuteurs intelligents qui permettent d'accompagner et d'aider les étudiants de niveau secondaire à résoudre des questions de la géométrie plane. Malheureusement, dans les tuteurs intelligents actuels, et en particulier dans les tuteurs destinés aux utilisateurs qui parlent français, l'extraction automatique des connaissances est laissée aux auteurs du problème. Ces derniers sont amenés à extraire les informations du problème et à les interpréter avant de les saisir manuellement dans l'interface utilisateur qui est sous forme d'une structure d'entrée prédéfinie dans le tuteur (par exemple, une liste des hypothèses et des conclusions). Ce type de tuteur risque de donner des résultats erronés à la suite d'une mauvaise ou une incomplète interprétation. De ce constat nait la motivation de notre recherche, qui est la création d'un extracteur automatique des connaissances à partir d'énoncés de problèmes de géométrie plane écrits en français. Cet extracteur automatisera l'ajout de nouveaux problèmes dans le tuteur. Cet extracteur s'inscrit dans le projet QED-Tutrix, qui a pour but de créer un tuteur intelligent pour la géométrie plane telle qu'enseignée dans le contexte scolaire québécois au niveau secondaire.  ABSTRACT: The current emergence of smart tutoring systems is called upon to transform traditional teaching methods. These intelligent tutors allow personalized guidance and support for each student, and thus reduce the workload for the teacher, who can then devote more time to students who need special support. In this work, we are interested in intelligent tutors to help high-school students to solve questions of plane geometry. Unfortunately, in today's smart tutors, and especially in tutors for users who speak French, automatic knowledge extraction is left to the authors of the problem. They have to extract information from the problem and interpret it before entering it manually in the user interface, which is in the form of a predefined input structure in the tutor (for example, a list of hypotheses and conclusions). This may cause erroneous results due to a bad or incomplete interpretation. From this observation was born the motivation for our research, which is the creation of an automatic knowledge extractor from plane geometry problems written in French. This extractor will automate the addition of new problems in the tutor. This extractor is part of the QED-Tutrix project, which aims to create an intelligent tutor for plane geometry as taught in the Quebec school context at the secondary level.


identifier: Ashrafi, F. (2020). Passive Flow Control at Impeller Radial Bend for Stall Delay in Centrifugal Compressors with Fishtail Pipe Diffusers  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Par leurs hauts rapports de pression par étage, les compresseurs centrifuges ont le potentiel d'être utilisés sur des moteurs à haut taux de dilution d'avions de ligne afin de réduire la longueur, le poids et la complexité de ces moteurs, si seulement leurs rendements isentropiques et marges de décrochage peuvent être améliorés. Cette recherche propose une nouvelle stratégie pour augmenter la marge de décrochage via le contrôle passif de l'écoulement au coude de l'impulseur plus tôt qu'à son bord d'attaque comme ce fut le cas auparavant. Comparée au bord d'attaque, la région du coude de l'impulseur présente moins de contraintes géométriques et est potentiellement plus efficace au niveau de l'effet du contrôle passif sur les structures d'écoulement à basse quantité de mouvement qui peuvent mener au décrochage. Cette recherche vise à faire une première évaluation de cette stratégie, à élucider le mécanisme par lequel elle peut efficacement retarder le décrochage et à évaluer son impact sur les pertes et le rendement isentropique au débit massique de conception. Deux compresseurs centrifuges avec des diffuseurs à tubes de type fishtail (le type de diffuseur le plus commun dans la motorisation aéronautique) ont été choisis pour études: une géométrie à haute vitesse (transsonique) pour lequel le décrochage est initié dans le diffuseur et une géométrie à basse vitesse (bas subsonique) dont le décrochage commence dans la partie avale de l'impulseur. Quatre techniques de contrôle passif de l'écoulement placé sur le carter au coude de l'impulseur ont été proposées, soit une rainure circonférentielle, des fentes, un tube de recirculation dans l'impulseur et un tube de recirculation diffuseur-impulseur. Des simulations numériques de l'écoulement de type RANS CFD ont été faites pour chaque compresseur sans et avec chacune des quatre techniques de contrôle de l'écoulement pour confirmer la composante responsable du décrochage et comprendre le mécanisme de décrochage; pour élucider le mécanisme par lequel une technique efficace retarde le décrochage; et pour enquêter sur les sources de perte de rendement isentropique au débit massique de design associées au contrôle passif de l'écoulement au coude de l'impulseur. Les résultats indiquent que pour la géométrie à haute vitesse. Le décrochage est initié par un décollement de l'écoulement sur la surface supérieure du diffuseur à tube. Le contrôle de l'écoulement est efficace lorsque qu'il peut injecter du fluide à partir du carter au coude de l'impulseur avec une pénétration radiale profonde et une basse quantité de mouvement relative dans la direction de l'écoulement principal pour réduire la vitesse relative (dans le repère rotatif) dans une région près de l'implanture de l'aube non loin de son extrados à la sortie de l'impulseur. Cette réduction de vitesse dans le repère rotatif donne une vitesse accrue dans le repère stationnaire à la position dans le diffuseur où le décollement de l'écoulement survient pour le supprimer et ainsi retarder le décrochage. Parmi les techniques proposées, c'est la rainure circonférentielle qui implémente ce mécanisme le plus efficacement pour fournir une augmentation de 9.39% à la marge de décrochage. Pour la géométrie à basse vitesse, le décrochage est causé par le décollement de la couche limite sur l'extrados près du bout de l'impulseur au bord de fuite. Un contrôle de l'écoulement efficace pour ce type de décrochage est caractérisé par une injection de fluide à partir du carter au coude de l'impulseur avec une faible pénétration radiale et une haute quantité de mouvement relative dans la direction de l'écoulement principal. Ce fluide va faire augmenter la vitesse de l'écoulement dans la région problématique sur l'extrados de l'impulseur afin de supprimer le décollement de la couche limite et retarder le décrochage. À ce niveau, le tube de recirculation diffuseur-impulseur performe le mieux, donnant une augmentation de la marge de décrochage de 8.16%. La perte de rendement isentropique associée au contrôle passif de l'écoulement au coude de l'impulseur est le résultat de pertes additionnelles dans l'impulseur et le diffuseur. Dans l'impulseur, le phénomène de jet dans un écoulement transverse engendre des pertes de mélange et de cisaillement. Dans le diffuseur, les pertes de cisaillement peuvent augmenter ou diminuer dépendamment de la variation du gradient de vitesse due à la redistribution de l'écoulement en présence du contrôle de l'écoulement. La présente recherche a fait la première évaluation du contrôle passif de l'écoulement au coude de l'impulseur en terme de l'augmentation de la marge de décrochage et de la perte de rendement isentropique des compresseurs centrifuges. Elle a aussi élucidé la physique de l'écoulement qui peut être utilisée pour raffiner les techniques de contrôle passif de l'écoulement proposées et/ou pour inventer d'autres techniques afin de maximiser la marge de décrochage tout en minimisant la perte du rendement isentropique pour les compresseurs centrifuges, particulièrement ceux avec un diffuseur à tube de type fishtail.  ABSTRACT: Due to their high pressure ratio per stage, centrifugal compressors have the potential to be used in mainline high bypass ratio commercial aero-engines to reduce engine length, weight and mechanical complexity if their isentropic efficiency and stall margin can be improved. This research proposes a new strategy for extending the stall margin through passive flow control placed at the radial bend of the impeller rather than at its leading edge as has been done until now. Relative to the leading edge, the radial bend location presents fewer geometrical constraints and is potentially more effective for flow control devices to affect low-momentum flow structures that can lead to stall both in the impeller and in diffuser. This research aims to provide a first assessment of this strategy, elucidate the flow mechanism by which it can effectively delay stall and to assess its impact on losses and efficiency at the design mass flow. Two centrifugal compressors with fishtail pipe diffusers (the most common type of diffuser used in aero-engines) were chosen for study: a high-speed transonic design for which stall is initiated by the diffuser and a low-speed low-subsonic design, which stalls through the impeller exducer. Four candidate flow control techniques were proposed placed on the impeller shroud at the radial bend, namely circumferential groove, slots, impeller recirculation pipe and diffuser-impeller recirculation pipe. RANS CFD simulations were performed on each compressor withand without each of the four flow control techniques to confirm the stalling component and to assess the stall mechanism, to elucidate the mechanism by which an effective passive flow control technique delays stall, and to investigate the sources of efficiency penalty at design mass flow associated with passive flow control at the radial bend. The results indicate that for the high-speed design, stall is initiated by flow separation on the radially outer wall of the fishtail diffuser pipe. Flow control at the radial bend is most effective if it can inject flow from the shroud at the radial bend with deep radial penetration and low relative streamwise momentum to reduce flow velocity (in the rotating frame) on the lower span region not far from the blade suction side at the impeller trailing edge. This leads to high absolute velocity at the location in the fishtail pipe diffuser where flow separation occurs to suppress this phenomenon and delay stall. Among the proposed stall control techniques, the circumferential groove most effectively implements this stall suppression mechanism, providing a stall margin extension of over 9%. In the low-speed design, stall is caused by suction side blade boundary layer separation in the upper span region of the impeller exit. Effective passive flow control for this type of stall is characterized by shallow spanwise flow injection with high relative streamwise momentum from the flow control device at the radial bend. This results in increased streamwise velocity in the problematic region on the impeller suction side to suppress boundary layer separation and delay stall. In this case, the diffuser-to-impeller recirculation pipe performs best with slightly more than 8% extension in stall margin. The efficiency penalty associated with passive flow control at the radial bend is the result of additional losses incurred in the impeller and the diffuser. The additional losses in the impeller stem from the jet-in-cross-flow phenomenon associated with the flow injection, which produces mixing, and shear losses. In the diffuser, shear losses can increase or decrease depending on whether the flow redistribution due to flow control increase or decrease velocity gradients. This research provided the first assessment of passive flow control at the impeller radial bend in terms of stall margin extension and efficiency penalty of centrifugal compressors. It also elucidated flow physics that can be used to refine the proposed passive flow control techniques and/or devise new flow control techniques to maximize stall margin extension while minimizing efficiency penalty for centrifugal compressors, particularly those with fishtail pipe diffusers.


identifier: Vanden Bulcke, R. (2020). Analyse de sensibilité pour la réduction de dimension en optimisation sans dérivée  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: A l'heure actuelle, le monde industriel regorge de processus et de calculs complexes et l'optimisation de ceux-ci se retrouve au cœur de la recherche et du développement d'entreprises. Ces problèmes ont souvent des caractéristiques qui nécessitent de faire appel à des méthodes d'optimisation sans dérivée. Il s'agit d'algorithmes d'optimisation qui permettent de gérer des fonctions non linéaires, non différentiables, bruitées ou encore non définies en certains points du domaine. La classe d'algorithme Mads rassemble des méthodes qui permettent de résoudre des problèmes contraints sous forme de boîtes noires correspondant aux résultats d'un code informatique. Par ailleurs, l'exploration d'un espace de recherche dont aucune information n'est disponible nécessite un grand nombre d'évaluations. Néanmoins, l'évaluation d'une boîte noire est souvent coûteuse; ceci constitue la principale difficulté du domaine, la recherche d'un minimum d'une boîte noire en un nombre limité d'évaluations. Cette limite du budget d'évaluations et d'autant plus importante lorsque le problème d'intérêt est de grande dimension. Il s'agit de la principale motivation pour appliquer une méthode de réduction de dimension au cours de l'optimisation du problème. L'algorithme Stats-Mads applique tout d'abord une méthode d'analyse de sensibilité basée sur une analyse de variance pour identifier les variables ayant le plus d'influence sur l'objectif. Ensuite, l'algorithme alterne entre une optimisation en petite dimension, où les variables les moins influentes sont fixées, et une optimisation en grande dimension. Les phases d'optimisation en petite dimension ont un rôle prépondérant dans la diminution de la valeur de l'objectif, et donc dans l'optimisation du problème. Nous proposons un nouvel algorithme de la classe Mads qui permet de s'attaquer à des problèmes de grande dimension. Celui-ci applique une analyse de sensibilité basée sur une analyse en composante principale qui permet d'extraire des combinaisons de variables ayant le plus d'impact sur la fonction objectif. Cet algorithme a donc été nommé Pca-Mads. D'une manière similaire à Stats-Mads, l'algorithme Pca-Mads alterne entre une optimisation en petite et en grande dimension. Toutefois, la structure de l'algorithme permet de poursuivre l'optimisation en petite dimension tant que celle-ci fournit des solutions améliorant la valeur de la fonction objectif. L'algorithme Pca-Mads, principalement basé sur l'instance LTMads, a été implémenté en MATLAB™. A la lumière des résultats obtenus sur des problèmes allant jusqu'à 1500 variables, l'algorithme Pca-Mads est comparé à d'autres algorithmes d'optimisation sans dérivée dont CMA-ES, Mads et principalement Stats-Mads afin de pouvoir conclure de ses performances. Ces tests indiquent clairement l'intérêt de l'approche de Pca-Mads.  ABSTRACT: In today's industry, the look for highest productivity at smallest costs naturally creates optimization problems. Precise models often create complex problems along with the need for derivative free optimization methods. Those are methods which can handle non-linear, non-differentiable or noisy objective functions. Mads algorithms are well-known black box optimization methods which solve this type of problem through calls to a black box, i.e. some kind of computer code. When little is known about the problem, the exploration of the search space requires a large number of black box evaluations. However, in the context of black box optimization, problems take the form of expensive-to-evaluate functions. The total number of evaluations is therefore very limited and this constitutes the main challenge of the field. When considering black box problems in large dimensions, the limited budget of evaluations is even more constraining. Standard black box algorithms need to be adapted, for example through dimension reduction scheme. Stats-Mads is a Mads-based algorithm which applies an analysis of variance to rank most influential input variables. Then the method alternates between optimizing the problem in a smaller dimension, where least influential variables were fixed, and the problem in its original large dimension. Most of the improvement of the objective value was done during the optimization in the small dimension. We propose a new Mads algorithm conceived to handle large-scale black box problems. This method applies a principal component analysis to identify most influential directions in the search space and is called Pca-Mads. Similarly to Stats-Mads, Pca-Mads alternates between an optimization in a smaller dimension, where the input can only evolve in the few most influential directions, and a poll in the large dimension. However, its structure allows to skip the poll in the large dimension as long as the optimization in the smaller dimension generates new improving solutions. A MATLAB™ implementation of the Pca-Mads method, based on the LTMads instance was run on problems of up to 1500 variables. Its performances are compared to other derivative free methods such as CMA-ES, Mads and mainly Stats-Mads. The results of these  tests clearly indicate the value of the approach developed for Pca-Mads.


identifier: Audy, E. (2020). Résilience des organisations sur un territoire dans un contexte de changements climatiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le contexte des changements climatiques, de plus en plus de phénomènes climatiques se manifestent sur le territoire québécois. Ils subissent une augmentation de leur fréquence d'occurrence ainsi que de leur intensité. Ils sont ainsi susceptibles d'engendrer des perturbations sur le fonctionnement des organisations du territoire (ex : arrêt des activités). Ces perturbations peuvent affecter les organisations avec différents niveaux de gravité. Ces niveaux d'affectations peuvent être diminués si l'organisation est résiliente. Or, afin de renforcer le niveau de résilience des organisations, il est possible de faire de la continuité opérationnelle. Cela permet à une organisation de mettre en place toutes les mesures nécessaires pour de réduire les conséquences d'une perturbation sur ses activités. La notion de résilience organisationnelle introduite au CRP à la suite de plusieurs travaux de recherche permet d'étudier la capacité des organisations sur un territoire à faire face à ces perturbations et d'en dégager quatre composantes permettant de la caractériser. Ces quatre composantes de la résilience sont l'acceptation, la planification, l'adaptation et l'anticipation. Elles sont supportées par la composante connaissance. L'objectif principal de ce projet est de développer des outils permettant de renforcer le niveau de résilience des organisations suite à l'évaluation de leur niveau de résilience sur un territoire dans un contexte de changements climatiques. L'approche utilisée dans ce travail de maîtrise afin d'évaluer le niveau de résilience des organisations était la recherche-action. Cette approche a été construite au cours de plusieurs développements théoriques afin de permettre aux organisations de facilement évaluer leur niveau de résilience sur un territoire à l'aide de notions simples dans le cadre d'exercices de mise en situation. Dans le cadre de ce travail de maîtrise, le niveau de résilience des organisations a pu être évalué durant des exercices de mise en situation avec des organisations. Ces exercices ont permis de caractériser le niveau de résilience des organisations sur le territoire de deux MRC et ainsi d'en dresser le portrait. Afin de renforcer le niveau de résilience des organisations interrogées, des mesures de continuité des opérations adaptées ont été émises. Ces mesures se basaient sur des actions à effectuer pour renforcer chacune des composantes de la résilience suivant les guides de bonne pratique existants en continuité des opérations.  ABSTRACT: In the context of climate change, more and more natural phenomena are appearing in Quebec. These natural phenomena experience an increase in their frequency of occurrence as well as their intensity. They are thus likely to cause disruption to the functioning of organizations in the territory. These disruptions can affect organizations with different levels of severity. These assignment levels can be reduced if the organization is resilient. However, in order to strengthen the level of resilience of organizations, it is possible to achieve operational continuity. This allows an organization to take all necessary measures to reduce the consequences of a disruption on its activities. The notion of organizational resilience introduced to the CRP based on previous research projects makes it possible to study the capacity of organizations in a territory to cope with these disturbances and to identify four components allowing to characterize it. These four components of resilience are acceptance, planning, adaptation and anticipation. They are supported by the knowledge component. The main objective of this project is to develop tools to strengthen the level of resilience of organizations following this assessment and characterization of their level of resilience in a territory in a context of climate change. The approach used in this master's degree work to assess the level of resilience of organizations was action research. This approach was built during several theoretical developments in order to allow organizations to easily assess their level of resilience in a territory using simple concepts in the context of simulation exercises. As part of this master's degree work, the level of resilience of organizations was assessed during simulation exercises with organizations. These exercises made it possible to characterize the level of resilience of organizations in the territory of two MRC's and thus to draw a portrait. To enhance the level of resilience of organizations surveyed, measures of continuity tailored operations were issued. These measures were based on actions to be carried out to strengthen each of the components of resilience according to existing good practice guides in operation continuity.


identifier: Boudina, M. (2020). On the Mechanics of Flow-Induced Vibration of Soft Corals and Particle Interception  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les coraux mous sont des espèces marines flexibles se déformant à l'effet des écoulements d'eau. Au passage d'une vague, alors que le tronc principal vacille, un mouvement particulier est observé: les branches se mettent à vibrer rapidement, avec de petits déplacements, et transversalement à la direction de l'écoulement. Dans ce mémoire, nous expliquons l'origine de ces vibrations et cherchons leur impact sur les coraux mous. Le critère de Glauert-den Hartog étant invalidé pour une section de branche de corail idéalisée, et les fluctuations de l'écoulement d'eau de mer ayant une fréquence de pic assez petite, nous avançons que les vibrations induites par vortex (VIV) sont la cause la plus plausible du mouvement rapide des branches.  Par ailleurs, le fait que les coraux mous soient des espèces se nourrissant en filtrant l'eau de ses particules comestibles, nous faisons l'hypothèse que ces vibrations peuvent influencer leur taux d'alimentation. À l'aide d'un code maison d'éléments finis d'interaction fluide-structure, en plus de scripts codés en Python, nous avons simulé les trajectoires de particules sphériques autour d'un cylindre circulaire, puis calculé le taux de capture. Nous avons trouvé que, lors de la synchronisation de fréquence, les cylindres vibrants capturent jusqu'à 40% plus de particules que ceux fixés. Ainsi, les VIV augmenteraient probablement le taux d'alimentation des coraux mous et leur offriraient une meilleure nutrition.  ABSTRACT: Soft corals are flexible marine species that deform when exposed to a flow of water. Under the action of a wave surge, while the stem sways back and forth at the low frequency of the wave, a yet unreported motion takes place: the branches vibrate at high frequency, with small amplitude, and transverse to the water flow. The goal of this thesis is twofold: to explain the origin of these vibrations, and to find their impact on soft corals. Because the Glauert-den Hartog criterion is unfulfilled for an idealised coral branch, and since the peak frequencies of the seawater disturbance are too small, we consider vortex-induced vibrations (VIV) the only remaining probable cause of the observed rapid branch motion. Given that soft corals are sessile passive filter feeders that catch particles brought by currents, we hypothesise that these vibrations may affect their feeding rate. Using an in-house monolithic fluid-structure interaction (FSI) finite element solver along with a Python code, we simulated trajectories of spherical particles around a circular cylinder and calculated the capture rate. We found that vibrating cylinders capture up to 40% more particles than fixed ones at lock-in. Thence, VIV plausibly increase the rate of food capture and offer soft corals better nutrition.


identifier: Mosser, J. (2020). Cartographie 4.0 pour la transformation numérique des processus  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie 4.0 représente un défi majeur pour l'ensemble des secteurs d'activité économique et notamment pour le domaine de la construction qui cherche à réussir sa transition vers la construction 4.0. Cette 4e révolution industrielle, basée sur le numérique et la connectivité, permet une prise de décision à la fois décentralisée et en temps réel, dans le but de maximiser l'agilité, la réactivité et l'autonomie des systèmes. Cependant, les changements associés à cette révolution ne sont pas aisés à mettre en œuvre, d'autant plus que la représentation des processus habituellement utilisée pour la transformation des procédés n'est pas adaptée au besoin de représentation de l'industrie 4.0. C'est pourquoi l'objectif général de nos travaux est de développer une nouvelle représentation des processus adaptée aux besoins de l'industrie 4.0.Ainsi, après un état de l'art consacré à l'industrie 4.0 et à sa déclinaison dans le domaine de la construction, une revue de littérature sur les standards de modélisation des processus d'affaires a été menée, permettant de juger de la capacité des formalismes de cartographies actuels et de leurs améliorations à prendre en compte les spécificités de représentation de l'industrie 4.0. Celles-ci se situent en particulier dans la représentation des technologies et des données. Bien qu'il ait été démontré qu'aucun formalisme n'embrasse l'ensemble des besoins en représentation 4.0, cet état de l'art a permis de comparer les différents formalismes et de dégager les plus prometteurs. De plus, les caractéristiques nécessaires à la conception d'une nouvelle représentation à destination de l'industrie 4.0 ont d'une part été extraites de la revue de littérature, et ont d'autre part été complétées suivant les besoins de notre partenaire industriel exprimés lors de son audit. Basé sur le formalisme BPMN, notre nouveau modèle baptisé « Gabarit de représentation et de modélisation pour l'industrie 4.0 (GRMI4.0), a été développé et validé grâce à un protocole adapté de la méthodologie usuellement employée lors de la normalisation des pictogrammes. La bonification des pictogrammes d'activité et de donnée par l'ajout de 14 nouvelles icônes apporte une meilleure représentation des solutions 4.0 mises en œuvre, en particulier du point de vue des technologies et des données. L'intégration d'indicateurs de performance permet quant à elle de quantifier les transformations induites en termes de compétences à mettre en œuvre, de coût et de temps. Enfin, un gabarit Microsoft Visio a été développé pour faciliter l'utilisation du GRMI4.0. Finalement, une expérimentation sur un cas d'application du partenaire – l'implantation de la méthode de la valeur acquise sur le processus de gestion et de suivi de projet – a montré l'efficacité du modèle pour l'opérationnalisation de l'implantation de pratiques 4.0.  ABSTRACT: Industry 4.0 represents a major challenge in all sectors of economic activity and particularly in the industry of the construction, which is seeking to make a successful transition to construction 4.0. This 4th industrial revolution, based on digital technology and connectivity, enables both decentralized and real-time decision-making, with the aim of maximizing the systems' agility, responsiveness and autonomy. However, the changes associated with this revolution are not easy to implement, especially since Business Process Modeling (BPM) usually used for process transformation is not adapted to the needs of representation of Industry 4.0. This is why the general objective of our work is to develop a new BPMN representation adapted to the needs of industry 4.0. Thus, after a state of the art devoted to industry 4.0 and its declination in the field of construction, a literature review on BPM standards has been conducted, allowing to judge the capacity of current mapping formalisms and their improvements to take into account the specific features of Industry 4.0 representation. These features particularly relate to the representation of technologies and data. Although it has been shown that no single formalism covers all the needs in 4.0 representation, this state of the art has made it possible to compare the different formalisms and to identify the most promising ones. In addition, the necessary characteristics for the design of a new representation for Industry 4.0 were extracted from the literature review and were completed according to the needs our industrial partner expressed during its audit. Based on the BPMN formalism, our new model called “Gabarit de représentation et de modélisation pour l'industrie 4.0” (GRMI4.0), has been developed and validated using a protocol adapted from the methodology usually used in the standardization of pictograms. The enhancement of the activity and data pictograms by the addition of 14 new icons provides a better representation of the implemented 4.0 solutions, particularly from technology and data points of view. The integration of performance indicators enables to quantify the induced transformations in terms of skills, cost and time. Besides, a Microsoft Visio template has been developed to facilitate the use of GRMI 4.0. Finally, an experimentation on a partner's application case - the implementation of the earned value method on the project management and monitoring process - showed the effectiveness of the model for the operationalization of 4.0 practice.


identifier: Descôteaux, G. (2020). Système autonome d'assistance au repas pour les personnes avec un handicap du haut du corps  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pour les personnes souffrant de troubles de mobilité du haut du corps, des tâches quotidiennes qui semblent anodines peuvent devenir extrêmement complexes. La tâche d'alimentation en est un excellent exemple. Dans les 20 dernières années, une multitude de solutions à cette tâche ont été proposées par des laboratoires de recherche ou des entreprises afin d'assister ces personnes. Toutefois, la plupart de ces solutions ont d'importantes limitations : complexité d'installation et de transport, difficulté à contrôler, peu intuitif, etc. L'objectif de ce mémoire est de présenter une preuve de concept de solution abordable permettant à des personnes à mobilité réduite au niveau du haut du corps de s'alimenter plus aisément. La solution proposée inclut d'abord une caméra de stéréovision combinée à un système de reconnaissance d'objets basé sur l'apprentissage profond afin de repérer et localiser la nourriture dans une assiette située devant l'utilisateur. Cette partie permet à l'utilisateur d'éviter de se soucier de spécifier la position de la nourriture qu'il veut manger; le système le fait pour lui, ce qui rend le tout beaucoup plus intuitif et simple à contrôler. La caméra permet également d'établir un modèle de la scène et des obstacles présents, ce qui permet au système d'éviter ces obstacles. Les coordonnées de la nourriture à aller chercher sont ensuite envoyées au bras robotique MICO de Kinova, simulé avec ROS et Gazebo. Il s'agit d'un bras de réadaptation conçu pour être monté sur une chaise roulante, ce qui réduit la complexité d'installation et de transport. Un calcul de trajectoire est alors effectué et la cinématique inverse du bras robotique est calculée afin que le bras puisse approcher la nourriture avec l'effecteur choisi, une fourchette, selon un angle d'approche prédéfini. La nourriture est ensuite ramenée à une position fixe près de la bouche de l'utilisateur, le tout de manière entièrement autonome. En utilisant le système développé, l'utilisateur peut donc se nourrir de manière intuitive et autonome. Selon les tests effectués, le système constitue une preuve de concept valide, n'ayant échoué aucun des cinq essais effectués, et permet à l'utilisateur de manger deux morceaux de nourriture en un temps moyen de 90,22 secondes (dont 18,3% sont dédiés aux calculs). Le reste est donc entièrement utilisé pour le déplacement du bras, qui est une limitation physique du système robotique.  ABSTRACT: For people who suffer from upper-body disabilities, some casual tasks that seem innocuous can actually become extremely complex. Eating is an excellent example of such a task. In the last 20 years, multiple solutions have been suggested by academia and industries in order to help those people. However, most of these solutions have important limitations: complexity of installation or transport, control difficulty, lack of intuitiveness, etc. The goal of this thesis is to present a proof of concept of a low-cost solution that addresses this difficulty in carrying out the feeding task for people with disabilities. The suggested solution includes a stereovision camera combined with an object recognition system based on deep learning in order to detect and locate food on a plate in front of the user. This part of the system removes the need for the user to specify the exact position of the food he wants to eat; the robotic system does it for him or her, reducing significatively the complexity of the task and making it a lot more intuitive. The camera also allows the system to build a model of the scene, including obstacles, allowing the system to build a collision-free trajectory. The coordinates for the food to reach is then sent to the robot arm MICO by Kinova, which is simulated using ROS and Gazebo. This arm is specifically made to fit on wheelchairs, thus reducing the complexity of required installation and transport. The path planning is then completed and the inverse kinematics of the robot arm is computed in order to reach the food with the tool selected for the project, a fork, at a predefined angle of approach. The food is then brought back to a constant position near the user's mouth. Everything is done autonomously. By using the developed system, the user can feed himself in an autonomous and intuitive manner. According to the tests, the system is a good proof of concept, having failed none of the 5 attempts, and allows the user to eat two pieces of food in an average time of 90.22 seconds (of which only 18.3% is dedicated to computations). The remaining 81.7% is thus used entirely for the movement of the robot arm, which is due to a physical limitation of the system.


identifier: Broggi, C. (2020). Conception et fabrication additive d'une structure bio-inspirée pour un rover lunaire en composites thermoplastiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les véhicules d'exploration spatiale, après avoir été déposés sur un corps céleste, en parcourent la surface afin d'observer et d'analyser l'environnement. Par conséquent, ils doivent résister à des conditions extrêmes : niveaux importants d'accélérations et d'excitations vibratoires lors du lancement, radiations cosmiques, cycles de températures allant de -150 °C à +100 °C pour un rover lunaire par exemple. En raison de leurs propriétés mécaniques à masse limitée et de leur résistance aux radiations, la structure de ces véhicules est traditionnellement faite de panneaux composites sandwich en nid d'abeille d'alliages d'aluminium. Cependant, leur assemblage nécessite l'utilisation d'inserts métalliques qui alourdissent considérablement l'ensemble. De nouveaux matériaux composites thermoplastiques hautes performances font progressivement leur apparition dans le domaine spatial. Ils ont de plus l'avantage de pouvoir être mis en œuvre par fabrication additive et de repousser ainsi les limites de conception des structures. Ainsi, l'objectif principal de ce mémoire est d'explorer le potentiel de l'impression 3D de pièces structurelles pour un rover lunaire. Tout d'abord, une nouvelle géométrie de rover lunaire a pu être générée avec une distribution de matière issue d'un algorithme d'optimisation topologique. Imprimé en composites thermoplastiques, le comportement de ce nouveau modèle a pu être comparé à celui du modèle préliminaire, constitué d'une structure métallique en alliage d'aluminium, lorsque soumis aux chargements mécaniques de l'environnement de lancement. Les simulations numériques ont permis de conclure quant à la bonne tenue mécanique du modèle allégé de près de 30%. Dans un second temps, un nouveau cœur de composite sandwich à densité variable a été développé afin de prendre en compte la répartition des efforts. Des échantillons ont été imprimés en PLA pour caractériser cette nouvelle structure. Ils ont été comparés à des échantillons de panneaux sandwich de référence, en nid d'abeille à taille de cellule constante, et ont permis de conclure à une augmentation de plus de 47% des propriétés mécaniques en flexion. Finalement, ce nouveau concept de composite sandwich à densité variable a été implémenté au modèle de rover lunaire. La simulation de son comportement lors du lancement a permis de conclure quant à l'intérêt de la mise en œuvre de composites thermoplastiques par fabrication additive dans la réduction de masse du corps d'un rover lunaire et plus généralement, de pièces structurelles.  ABSTRACT: Space exploration vehicles, after being dropped on a celestial body, travel across its surface to observe and analyze the environment. Consequently, a lunar rover has to withstand extreme conditions: high levels of acceleration and vibration during launch, cosmic radiation, temperature cycles ranging from -150°C to +100°C. Because of their mechanical properties with limited mass and their resistance to radiation, sandwich panels made of aluminum alloys are traditionally used to manufacture the structure. However, the assembly of these panels requires the use of metal inserts which considerably increase the weight of the assembly. New high-performance thermoplastic composite materials are gradually emerging in the space sector. Moreover, they can be processed by additive manufacturing and thus enable to push the limits of design. Therefore, the main objective of this thesis is to explore the potential of 3D printing of structural parts for a lunar rover. First, a new lunar rover geometry has been generated with a material distribution resulting from a topological optimization algorithm. Printed with thermoplastic composites, the behaviors of this new design has been compared to that of the preliminary model, consisting of an aluminum alloy metal structure, under the mechanical loads of the launch environment. The model has been lightened by almost 30% and numerical simulations have led to the conclusion that it is mechanically strong. Secondly, a new functionally graded sandwich core has been developed to consider the load distribution. Samples were printed in PLA to characterize this new structure. They were compared with reference honeycomb sandwich panels of constant cell size and it has been concluded that there is a significant increase of 47% of the bending mechanical properties. Finally, this new concept of functionally graded sandwich structure has been implemented to the lunar rover design. The simulation of their behaviors during launch led to the conclusion that the use of thermoplastic composites through additive manufacturing is of interest for the design of space exploration vehicles and structural parts in general.


identifier: Absi, C. (2020). Développement de rivets en composite de carbone et poly(étheréthercétone) pour les structures aéronautiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des dernières années, la proportion qu'occupent les matériaux composites dans les avions est passée d'environ 11 % à plus de 50 %. Les nombreux avantages que présentent ces matériaux sont à la source de cette croissance fulgurante. L'avantage principal des matériaux composites est qu'ils ont des propriétés spécifiques élevées, c'est-à-dire qu'ils sont à la fois légers et résistants. L'utilisation de tels matériaux dans les structures aéronautiques apporte des nouveaux défis. Notamment, il est impossible de joindre les laminés avec les méthodes de rivetage conventionnelles. En effet, le joint peut subir des dommages tels que de la délamination lorsqu'une attache est insérée dans un trou présentant un faible jeu ou lorsque le rivet métallique est déformé plastiquement. En ce moment, ce sont des attaches en titane, similaires à des boulons et écrous, qui sont installées dans des trous avec un grand jeu. Toutefois, ces attaches présentent des problèmes par rapport à leur masse, leur coût, la corrosion et la foudre. Pour mitiger ces problèmes, on propose l'utilisation de rivets en composite de CF/PEEK. Peu de technologies existent pour mettre en forme des rivets en CF/PEEK. Une nouvelle machine a donc été mise au point. Celle-ci chauffe des préformes cylindriques par effet Joule, jusqu'à une température supérieure au point de fusion de la matrice thermoplastique. La préforme peut ensuite être mise en forme de rivet à l'aide d'un système d'outils actionné par cinq actuateurs, chacun capable d'appliquer une force de 1 kN. La machine est automatisée et est opérée par une interface réalisée sur LabVIEW. À l'aide de cette nouvelle machine, des procédés différents ont été développés pour installer les rivets dans des plaques d'acier et de polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP). Ils sont formés in situ, soit directement dans les éléments à joindre. Le procédé de mise en forme dans l'acier requiert un chauffage avec une puissance allant jusqu'à 175 W. Pour les joints en CFRP, 110 W sont nécessaires. Dans les deux cas, après le chauffage, une force de rivetage de 250 N est appliquée. Ensuite, le joint riveté est refroidi puis démoulé. Du début du chauffage au début du démoulage, 35 s s'écoulent. Ces procédés permettent des former les rivets correctement, mais des micrographies ont montré des signes de brûlure dans les rivets formés avec le plus fort apport de chaleur. Des joints rivetés ont été soumis à des essais en cisaillement et en tension. Les rivets en CF/PEEK ont été comparés à des attaches en titane, dans des conditions semblables. Les résultats ont montré que les nouveaux rivets en CF/PEEK ont des propriétés spécifiques supérieures à celles des attaches en titane. En cisaillement, les rivets en CF/PEEK ont tenu 9 kN/g, contre environ 5 kN/g pour les rivets en titane. En tension, les rivets en CF/PEEK tiennent 5,6 kN/g, alors que les rivets en titane tiennent entre 3 kN/g et 5,5 kN/g.  ABSTRACT: The proportion of composite materials in aircraft has risen from 11 % to more than 50 % over the last years. These materials present many advantages that make them attractive to the aerospace industry. One of the most important advantages is their high specific strength, i.e., their strength relative to their weight. However, using composite materials brings its lot of challenges. One of them is the impossibility to join these materials using traditional fastening techniques. Indeed, using conventional metallic rivets could cause damage to the laminates, such as delamination. This has been overcome by the adoption of bolt-type fasteners installed in holes with a clearance fit. These fasteners are still the source of problems with regards to weight, cost, corrosion, and lightning strikes. The use of carbon fiber and poly(ether ether ketone) composite (CF/PEEK) rivets could mitigate these issues. Few technologies are available to shape CF/PEEK rivets. A new machine has therefore been developed. The machine heats cylindrical blanks by the Joule effect, to a temperature above the melting point of the thermoplastic matrix. The blank can then be compressed into the shape of a rivet using a tool system driven by five actuators, each capable of applying a force of 1000 N. The machine is automated and is operated by means of a human-machine interface created on LabVIEW. Using this new machine, different processes have been developed to install the rivets in steel plates and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plates. They are moulded in situ, i.e. directly into elements to be joined. The shaping process in steel requires heating with a power of up to 175 W. For CFRP joints, only 110 W are required. In steel or CFRP, following the heating stage, a riveting force of 250 N is applied and the riveted joint is cooled before being demoulded. The duration of the riveting process is 35 s, from the star of the heating to the demoulding. These processes allow the blanks to be shaped into rivets correctly, however micrographs have shown signs of burning in the rivets formed with the highest heat input. Riveted joints were subjected to shear and tension tests. CF/PEEK rivets were compared to titanium fasteners, under similar conditions. The results showed that the new CF/PEEK rivets have specific properties up to almost twice as high as those of traditional titanium fasteners. CF/PEEK rivets submitted to shear held 9 kN/g, while titanium fasteners held 5 kN/g. For samples submitted to tension, CF/PEEK rivets held 5,6 kN/g, while titanium fasteners held between 3 kN/g and 5,5 kN/g.