identifier: Dimitrova, S. G. (2013). Implementation of Crowdsourcing into Business and Innovation Strategies : A Case Study at Bombardier Transportation, Germany  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le crowdsourcing regroupe un ensemble de nouvelles pratiques d'affaires touchant l'innovation et la collaboration. Il offre aux entreprises de multiples avantages, notamment l'évolutivité de la force de travail, la diversité des contributeurs provenant de l'externe (la « foule »), une variété d'idées nouvelles et des solutions rapides. Le crowdsourcing peut aussi entraîner d'impressionnantes économies pour les entreprises qui l'utilisent, de même qu'une visibilité accrue. De plus, comme le crowdsourcing favorise un contact étroit avec des clients potentiels, il peut offrir une meilleure lecture du marché et conséquemment, alimenter positivement les stratégies organisationnelles nécessaires à l'innovation. Comme pratique d'innovation, le crowdsourcing a gagné en popularité au cours de la dernière décennie. Même s'il s'agit d'une tendance relativement récente, il a déjà reçu beaucoup d'attention de la part des chercheurs. La revue de la littérature réalisée dans ce projet de maîtrise révèle en effet que cette pratique est déjà utilisée dans plusieurs secteurs de l'industrie, bien que ce soit surtout le cas dans les industries de biens de consommation. Bien qu'enrichi de descriptions pertinentes liées au crowdsourcing, la littérature demeure relativement pauvre de données empiriques touchant l'impact de cette pratique sur les modèles d'affaires. Dans ce contexte, l'objectif général de ce mémoire consiste à analyser la mise en œuvre du crowdsourcing comme stratégie d'innovation et d'affaires d'une entreprise réelle. Au vu des connaissances actuelles sur le crowdsourcing et des objectifs de la recherche, l'étude de cas qualitative, exploratoire et descriptive fut sélectionnée comme la principale stratégie de recherche. Plus précisément, le cas étudié (Bombardier Transportation) fut sélectionné dans une industrie de biens industriels, nommément l'industrie de l'équipement de transport ferroviaire. Cette société ayant mis en place trois initiatives de crowdsourcing depuis 2009, elle s'est avéré un choix pertinent pour répondre aux objectifs de recherche. Cette étude de cas vise également à examiner comment l'implantation du crowdsourcing peut influencer la culture organisationnelle d'une entreprise, d'analyser diverses décisions technologiques qui soutiennent la mise en œuvre du crowdsourcing, d'identifier les obstacles à la mise en œuvre, et de comprendre les limites de ce modèle. Cette étude apporte une contribution importante aux connaissances actuelles sur le crowdsourcing en examinant son utilisation comme approche d'innovation et d'affaires dans un secteur encore peu étudié. Plus spécifiquement, la recherche contribue au corpus théorique actuel en décrivant et en analysant trois initiatives réussies de crowdsourcing chez BT ; ces initiatives portent sur deux types de crowdsourcing (interne et externe) et dont les finalités diffèrent (créativité et résolution de problèmes). L'étude examine aussi l'impact réel de crowdsourcing sur l'entreprise et sur ses stratégies d'innovation. En termes pratiques, cette étude peut s'avérer instructive et utile pour des gestionnaires qui envisageraient la mise en œuvre du crowdsourcing comme élément d'une stratégie d'innovation. En particulier pour les secteurs de biens industriels, le cas BT permet de comprendre les avantages et contraintes de telles pratiques au sein des organisations. Les résultats de cette étude et les analyses comparatives peuvent aussi aider les gestionnaires à identifier, réduire, atténuer ou éviter les effets négatifs et des pratiques inappropriées de crowdsourcing, tout en les aidant à atteindre leurs objectifs d'innovation et de collaboration d'une manière plus efficace et efficiente.  ABSTRACT: Crowdsourcing is an emerging model of collaboration and innovation. As such, it provides firms with multiple advantages, notably work force scalability, diversity of crowd workers, a variety of novel ideas, and rapid solutions. Moreover, crowdsourcing can result in impressive cost savings for businesses using this model. Firms also benefit from the additional publicity involved. In addition, because crowdsourcing provides firms with access to future customers, they can make more accurate market predictions and adjust their strategies to crowd expectations. Crowdsourcing gained significant popularity during the last decade. Although it is a relatively new trend, it has already received attention in the literature. The literature review under this project revealed that crowdsourcing is used by firms operating in almost all industry sectors, but mostly by firms in the consumer goods industries. Because the literature on crowdsourcing was sparse with respect to empirical evidence of the impact of crowdsourcing on firms' business and innovation strategies, the general objective of this study was to assess the impact of implementing crowdsourcing into the business and innovation strategies of a company. The research was also particularly aimed to study the implementation of crowdsourcing in a firm representing a non-consumer goods industry. Bombardier Transportation (BT), Germany was chosen because it met the criteria for selection of a firm for the case study, but also because the preliminary researches showed that this company had used both internal and external crowdsourcing for several innovation initiatives since 2009.The intention was also to examine whether or not crowdsourcing can change a firm's culture, to analyze the technological settings that support crowdsourcing, to identify obstacles to crowdsourcing implementation, and to understand the limitations of the model, and thus to contribute to the empirical knowledge on these topics. Based on the research goals and the extent of the current knowledge on crowdsourcing, a qualitative, exploratory, and descriptive case study was deemed an appropriate research strategy. An inductive data analysis approach was used as it is not based on a pre-existing theoretical framework that shapes the research process. Instead, theories emerge in light of the collected data and the data analysis. This study makes a substantial contribution to the theoretical knowledge on crowdsourcing by examining the use of crowdsourcing as a business and innovation approach in a non-consumer goods industry such as railway manufacturing. The research also contributes to the theoretical knowledge by describing and analyzing BT's three crowdsourced initiatives that present examples of successful implementation of crowdsourcing, including creative, problem-solving, and collaborative elements of both internal and external crowdsourcing. The study examines the real-life impact of crowdsourcing on a firm's business and innovation strategies in terms of strategic foundations, processes, and the business and innovation benefits. In practical terms, the results of this study can help managers identify successful practices and processes for implementing both internal and external crowdsourcing as a firm innovation and collaboration method. Moreover, managers, especially those working in other or similar non-consumer goods industries, may be encouraged to give crowdsourcing a try, as they would be able to learn from the experience of a leading multinational organization, such as Bombardier Transportation. The study results and comparative analyses can also help managers identify, lessen, mitigate, or avoid the negative and non-constructive effects of inappropriate crowdsourcing practices, and can help them achieve their innovation and collaboration goals more efficiently and effectively.


identifier: Jabbarifar, M. (2013). On Line Trace Synchronization for Large Scale Distributed Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes distribués en réseau fournissent une plate-forme informatique polyvalente pour soutenir diverses applications, telles que des algorithmes de routage dans les réseaux de télécommunication, les systèmes bancaires dans les applications de réseau, les systèmes de contrôle d'aéronefs dans le contrôle de processus en temps réel, ou le calcul scientifique, y compris les grilles et grappes de calcul en calcul parallèle. Ces systèmes sont généralement supervisés afin de détecter, de déboguer et d'éviter les problèmes de sécurité ou de performance. Un outil de traçage est une des méthodes les plus efficaces et précises, avec laquelle toutes les informations détaillées pour chaque noeud individuel dans le système peuvent être extraites et étudiées.  Typiquement, une tâche énorme est divisée en de nombreuses tâches, qui sont distribuées et exécutées sur plusieurs ordinateurs coopérant en réseau. Ainsi, afin de contrôler la fonctionnalité des systèmes distribués actuels, toutes les informations sont collectées à partir de plusieurs systèmes et appareils embarqués pour une analyse et une visualisation à la fois en ligne et hors ligne. Cette information de traçage, générée à un rythme effarant, est livrée avec estampilles de temps générées localement sur chaque noeud. Ces estampilles sont généralement fondées sur des compteurs de cycle, avec une granularité du niveau de la nanoseconde. Toutefois, les horloges de chaque noeud sont indépendantes et donc asynchrones les unes des autres. Néanmoins, les utilisateurs s'attendent à voir la sortie de l'analyse en temps réel, sur un axe de référence de temps commun, afin d'être en mesure de diagnostiquer les problèmes plus facilement. La portée de l'oeuvre proposée ici est la synchronisation efficace et en direct de traces générées dans un environnement de grande grappe d'ordinateurs avec des estampilles de temps de granularité du niveau de la nanoseconde, produites par des horloges non synchronisées. Par ailleurs, le modèle de trafic du réseau, le nombre de noeuds informatiques disponibles et même la topologie du réseau peuvent changer. En effet, les grands centres de données roulent un ensemble diversifié et en constante évolution d'applications. Les noeuds peuvent échouer ou revenir en ligne à tout moment, et même le réseau peut être reconfiguré dynamiquement. Ainsi, motivé par la grande échelle des systèmes ciblés, le volume élevé de flux de traces de données associés, la limitation des tampons mémoire et la nécessité d'une analyse en direct, et la haute précision de synchronisation requise, nous avons conçu une nouvelle approche incrémentale pour synchroniser les traces de plusieurs ordinateurs connectés à un réseau dynamique à grande échelle. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de synchronisation en direct des connexions individuelles basée sur la classification rapide des paquets échangés, soit comme des paquets précis ou des paquets inintéressants. Cette méthode permet d'obtenir à la fois le plus bas coût de calcul, une latence minimale et une meilleure précision. Deuxièmement, nous avons proposé un algorithme efficace pour calculer incrémentalement l'arbre couvrant minimum des liaisons réseau avec la meilleure précision (plus faible inexactitude) afin de permettre le calcul efficace de paramètres de synchronisation transitive entre deux noeuds qui ne sont pas connectés directement. Ce problème est un défi multiple puisque l'exactitude des liens change au fur et à mesure que des paquets sont échangés entre deux noeuds, de nouveaux liens peuvent apparaître lorsque les noeuds commencent à échanger des paquets, et de nouveaux noeuds peuvent aussi apparaître. Enfin, nous avons proposé un nouvel algorithme pour identifier efficacement et mettre à jour le noeud de référence optimal dans l'arbre couvrant minimum, afin d'utiliser ce noeud comme référence de temps pour l'analyse et la visualisation des traces de plusieurs noeuds. En résumé, nous avons conçu et mis en oeuvre une nouvelle procédure efficace et complète pour la synchronisation de trace optimale, dans un environnement de très grande grappe d'ordinateurs, en direct. Le Linux Trace Toolkit next generation (LTTng), développé à l'École Polytechnique de Montréal, offre une trace d'exécution détaillée des systèmes Linux avec faible surcharge. Notre nouvelle procédure a été programmée et validée par la synchronisation en ligne d'énormes traces LTTng dans de grands réseaux dynamiques.  ABSTRACT: Networked distributed systems provide a versatile computing platform for supporting various applications, such as routing algorithms in telecommunication networks, banking systems in network applications, aircraft control systems in real-time process control, or scientific computing including cluster and grid computing in parallel computation. These systems are typically monitored to detect, debug and avoid security or performance problems. A tracing tool is one of the most efficient and precise methods, in which all the detailed information for every individual node in the system can be extracted and studied. Typically, a particular huge task is divided into many tasks, which are distributed and run on several cooperating networked computers. Hence, in order to monitor the functionality of current distributed systems, all information is collected, from multiple systems and embedded devices, for both online and a posteriori offline analysis and viewing. This tracing information, generated at a staggering rate, comes with timestamps locally generated on each node. These timestamps are typically based on cycle counters, with a nanosecond level granularity. However, the clocks in each node are independent and thus asynchronous from one another. Nonetheless, users expect to see the analysis output in real-time, on a common time reference axis, in order to be able to diagnose problems more easily.  The scope of the work proposed here is the efficient and live synchronization of traces generated in distributed systems with nanosecond granularity timestamps produced by unsynchronized clocks. Moreover, the pattern of network traffic, the number of available computer nodes and even the network topology can change. Indeed, distributed systems run a diverse and changing set of applications, nodes may fail or come back online at any time, and even the network can be reconfigured dynamically. Thus, motivated by the large scale of targeted systems, the high volume of associated trace data streams, the data buffering limitations, and the need for live analysis and high synchronization precision, we designed a new incremental approach to synchronize traces from multiple connected computers in a large scale dynamic network. First, we present a novel schema for live synchronization of individual connections based on the fast classification of exchanged packets as either accurate packets or uninteresting packets. This method achieves at the same time the lowest computing cost, lowest latency and best accuracy. Secondly, we proposed an efficient algorithm to incrementally compute the minimum spanning tree of network links with the best precision (lowest inaccuracy) in order to allow the efficient computation of synchronization parameters transitively between two nodes which are not connected directly. This problem is a multiple challenge since the accuracy of links changes as more packets are exchanged between two nodes, new links may appear when nodes start exchanging packets, and new nodes may appear as well. Finally, we proposed a new algorithm to efficiently identify and update the optimal reference node in the minimum spanning tree, in order to use this node as time reference when analyzing and visualizing traces from multiple nodes. In summary, we designed and implemented a new efficient procedure for optimum trace synchronization in a live distributed systems.  The Linux Trace Toolkit next generation (LTTng), developed at Polytechnique Montreal, provides a detailed execution trace of Linux systems with low overhead. Our new procedure was programmed and validated through the online synchronization of huge LTTng traces in large dynamic networks.


identifier: Criscione, R. (2013). Ascending Aorta Parametric Modeling and Fluid Dynamics Analysis in a Child Patient with Congenital BAV and Ascending Aorta Aneurysm  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'anévrisme de l'aorte ascendante (AAoA) est une déformation qui affecte la partie de l'aorte entre la valve aortique et le tronc brachiocéphalique. L'incidence de cette maladie est plus élevée dans les cas de patients atteints de la pathologie de la Bicuspidie Valvulaire Aortique (BVA). BVA est la malformation cardiaque congénitale la plus commune dans le monde avec une prévalence entre 0.5% et 2%. De nombreux patients atteints de l'AAoA sont des enfants comme cela se produit plus souvent à un plus jeune âge. La chirurgie invasive est actuellement considérée comme l'étalon-or pour le traitement de la déformation de l'aorte. Cette intervention chirurgicale a un taux de mortalité élevé, entre 2.5% et 5% des cas traités, en raison du danger intrinsèque de l'opération qui pourrait prendre plus de 5 heures. L'avènement des techniques chirurgicales à invasion minimale au cours des dernières années a pour but de réduire la nécessité d'une chirurgie invasive en utilisant des dispositifs tels que des stents et des greffes qui sont implantables par cathétérisme. L'utilisation de ces nouvelles techniques d'intervention présente des avantages significatifs par rapport à la chirurgie conventionnelle, comme la diminution du risque de mortalité opératoire et la durée totale de l'intervention et de l'hospitalisation. Cependant, un processus de simulation précisant toutes les conditions possibles dans lesquelles le dispositif implanté pourrait fonctionner est nécessaire. Ce projet de recherche consiste à développer un modèle de l'aorte ascendante par Conception Assistée par Ordinateur (CAO) qui permet de simuler, avec une grande fiabilité, les propriétés mécaniques et morphologiques de cette partie de l'aorte. Ce modèle de l'aorte ascendante peut interagir avec un modèle CAO de tout type de dispositif (par exemple, un stent) pour simuler les effets sur l'aorte. En outre, le modèle peut être utilisé pour des évaluations de Computational Fluid Dynamics (CFD) ainsi que pour mesurer la contrainte de cisaillement à la paroi (WSS) et la vitesse du sang. Dans la littérature, il existe plusieurs exemples de modèles de l'aorte, toutefois, il n'existe aucune preuve actuelle d'une analyse CFD dans laquelle la maladie de BVA est modélisée dans un modèle CAO de l'aorte ascendante dans le cas d'un anévrisme. Pour ce projet de recherche, une base de données de 140 patients a été consultée. Les patients étaient âgés de zéro à dix-huit ans et ont montré plusieurs anomalies tels que le syndrome de Marfan, la BVA, la dilatation de l'aorte et l'anévrisme, etc. Un ensemble d'Images à Résonance Magnétique (IRM) d'un enfant avec un anévrisme de l'aorte ascendante évidente et une BVA a été choisi comme cas spécifique. Le processus de segmentation d'images a été réalisé dans le logiciel Slice-O-Matic afin d'obtenir un nuage de points qui a ensuite été utilisé  ABSTRACT: Ascending Aorta Aneurysm (AAoA) is a deformation which aects the portion of the aorta between the aortic valve and the brachiocephalic trunk. The incidence of this disease is higher in cases of patients with the Bicuspid Aortic Valve (BAV ) pathology. BAV is the most common congenital heart deformation in the world with a prevalence between 0.5% and 2%. Many patients with AAoA are children as it occurs more frequently at a younger age. Invasive surgery is currently considered the gold standard for aortic deformation treatment. This surgical procedure has a high mortality rate, between 2.5% and 5% of the treated cases, because of the intrinsic danger of the operation which could take more than 5 hours. The advent of minimally invasive surgical techniques in recent years aims to reduce the need for invasive surgery using devices such as stents and grafts which are implantable by catheterization. The use of these new interventional techniques has signicant advantages compared to conventional surgery, such as a decreased risk of operative mortality, total time of intervention and hospitalization. However, an accurate simulation process of all the possible conditions in which the implanted device could operate is required. This research project consists of developing a Computer-Aided Design (CAD) model of the ascending aorta which can simulate, with high reliability, the mechanical and morphological properties of the ascending aorta. This model of the ascending aorta can interact with a CAD model of any type of device (eg. stent) to simulate its eects on the aorta. Furthermore, the model can be used for Computational Fluid Dynamics (CFD) evaluations in order to assess Wall Shear Stress (WSS) and blood velocity measurements. In literature, there are several examples of aortic models, however, there is no present evidence of a CFD analysis in which the BAV disease is modeled into a CAD model of the ascending aorta within an aneurysm. For this research project, a database of 140 patients was consulted. Patients were aged between zero and eighteen years old and showed several anomalies, like Marfan syndrome, BAV disease, aortic dilatation and aneurysm, etc. A set of Magnetic Resonance Images (MRIs) of a child patient with an evident ascending aortic aneurysm and BAV disease was chosen as a patient-specic case. The image segmentation process was performed within the software Slice-O-Matic in order to obtain a cloud of points, which then was used to build the CAD model. The latter was conceived using dierent surface reconstruction techniques executed by the modeling software CATIA while maintaining the highest possible accuracy. Dierent kinds of meshes were generated into the Ansys ICEM CFD meshing software to better achieve the Finite Volume Method (FVM) analysis. The meshed model was then


identifier: Carpentier, P.-L. (2013). Méthodes de décomposition pour la planification à moyen terme de la production hydroélectrique sous incertitude  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, nous considérons le problème de planification à moyen terme (PPMT) de la production hydroélectrique sous incertitude visant la gestion de réservoirs sur un horizon de plusieurs mois. Nous nous intéressons particulièrement aux systèmes de haute dimension composés de dizaines de réservoirs et exploités par les grands producteurs hydroélectriques tels qu'Hydro-Québec. Ces producteurs exploitent des systèmes complexes à hauteur de chute et rendement variables avec des coûts fixes et des délais de démarrage et d'arrêt de groupes. En général, une grande variété de contraintes opérationnelles serrées doivent être satisfaites. Ces systèmes sont habituellement exploités dans un environnement décisionnel hautement incertain. Les modèles d'optimisation à moyen terme de la production considèrent généralement un pas de temps hebdomadaire ou mensuel et reposent sur une représentation simplifiée du système de production. Les courbes de production sont généralement convexes et linéaires par morceaux et les coûts fixe de transaction ou d'arrêt/démarrage sont généralement négligés. La principale source de complexité du PPMT et généralement attribuable à la prise en compte de l'incertitude. Les paramètres aléatoires du PPMT sont généralement caractérisés par une distribution de probabilité multidimensionnelle, continue et asymétrique. Ces caractéristiques sont difficiles à représenter de façon précise dans les modèles d'optimisation. Au cours des dernières décennies, plusieurs méthodes d'optimisation stochastique ont été proposées dans la littérature en gestion de réservoirs. La plupart de ces méthodes sont limitées aux systèmes de dimension modeste en raison de la malédiction de la dimension. Les méthodes basées sur une représentation par arbre de scénarios de l'incertitude comptent parmi les rares approches qui sont applicables aux grands systèmes hydroélectriques. Ces méthodes fonctionnent en remplaçant la distribution continue d'origine par une distribution discrète contenant un nombre fini de réalisations possibles. Ainsi, le programme stochastique à résoudre peut être reformulé en un programme équivalent déterministe dont la taille est proportionnelle à la dimension du système contrôlé. La principale limitation de l'approche par arbre de scénarios est liée à l'augmentation exponentielle de la taille du programme équivalent déterministe avec le niveau de branchement de l'arbre. En pratique, le programme équivalent déterministe doit être résolu par une méthode de décomposition qui exploite sa structure mathématique spéciale. L'objectif de cette thèse consiste à développer et à évaluer différentes méthodes de décomposition permettant de résoudre le PPMT sous incertitude. La thèse est divisée en trois articles. Le premier article démontre l'applicabilité de l'algorithme de progressive hedging (APH), une méthode de décomposition par scénario, pour faire la gestion de réservoirs hydroélectriques multiannuels dans un environnement hautement variable au Canada. L'APH est une méthode classique conçue pour résoudre des programme stochastique multiétape généraux posés sur un arbre de scénarios. Cette méthode fonctionne en appliquant une relaxation Lagrangienne augmentée aux contraintes de non-anticipativité (CNA) du programme stochastique. À chaque itération de l'APH, une série de sous-problèmes doivent être résolus. Chaque sous-problème correspond à une version déterministe du programme stochastique défini sur un scénario particulier de l'arbre. Des termes linéaires et quadratiques sont ajoutés à la fonction objectif des sous-problèmes afin de pénaliser les violations des CNA. Une des principales limitations de l'APH est liée à l'augmentation exponentielle du nombre de sous-problèmes et de termes de pénalité avec le niveau de branchement de l'arbre. Ce phénomène peut rendre l'application de l'APH particulièrement difficile lorsque l'arbre de scénarios considéré contient plusieurs étapes de branchement et couvre un horizon réparti sur des dizaines de périodes. Ces situations surviennent fréquemment lorsque des réservoirs multiannuels sont considérés. Une autre limitation importante de l'APH est causée par l'augmentation du niveau de difficulté des CNA avec la variabilité des scénarios contenus dans l'arbre. Ce phénomène complique l'application de l'APH dans les régions hydroclimatiques caractérisées par une forte variabilité saisonnière et interannuelle. Ces deux types de limitations peuvent ralentir considérablement le taux de convergence et le temps de calcul par itération de l'APH et rendre cette méthode inapplicable en pratique. Dans l'ensemble, très peu de chercheurs ont appliqué l'APH en gestion de réservoirs hydroélectriques. Les rares études portant sur ce type d'application considèrent un horizon de courte portée avec arbre de scénarios de petite taille avec un niveau de variabilité modeste. Dans cette étude, nous appliquons l'APH à la gestion de l'ensemble du parc d'Hydro-Québec sur un horizon de 92 semaines. L'arbre de scénarios considéré contient six étapes de branchement et 1635 noeuds. L'APH est particulièrement bien adaptée pour cette application étant donné du fait que la société d'État dispose actuellement d'un modèle déterministe opérationnel pour faire la planification à moyen terme de la production. En fait, seulement quelques modifications mineures sont nécessaires pour transformer le modèle déterministe actuel en un modèle stochastique basé sur l'APH. Le deuxième article présente une nouvelle approche permettant de réduire le temps de calcul de l'APH lors la résolution de programme stochastique généraux. L'approche proposée fonctionne en appliquant un schéma de décomposition multiscénario au programme stochastique conçu de manière à minimiser le nombre de CNA auxquelles une RLA doit être appliquée. Chaque sous-problème prend la forme d'un programme stochastique défini sur un groupe de scénarios. Les CNA liant les scénarios d'un même groupe sont représentées implicitement dans les sous-problèmes en adoptant une formulation par groupe de scénarios et par noeud plutôt qu'en utilisant le sytème d'indice traditionnel exprimé par période et par scénario. Seulement les CNA liant les différents groupes de scénarios sont représentées explicitement sous forme de contraintes d'égalité linéaires et relaxées. La méthode proposée est évaluée numériquement sur un problème de gestion de réservoirs hydroélectriques au Québec. Les résultats de cette expérience démontrent que notre méthode de partitionnement optimal a plusieurs avantages par rapport au schéma de décomposition par scénario traditionnel. Premièrement, elle permet de diminuer le temps de calcul par itération en réduisant le nombre de termes de pénalité à inclure dans les sous-problèmes et en réduisant le nombre de variables et contraintes dupliquées. Deuxièmement, notre approche permet d'accélérer le taux de convergence de l'algorithme en réduisant la variabilité des solutions intermédiaires obtenues aux noeuds dupliqués. Le troisième article présente une extension de la méthode L-Shaped conçue spécifiquement pour faire la gestion de réservoirs hydroélectriques à haute capacité d'emmagasinnement. Lorsque de tels réservoirs sont considérés, l'horizon à moyen terme couvre typiquement plusieurs dizaines de périodes et les méthodes de décomposition conventionnelles telles que l'APH ne sont applicables que si un faible niveau de branchement est utilisé. Dans ces situations, l'arbre de scénarios considéré correspond généralement à une discrétisation très grossière de la distribution de probabilité continue sous-jacente. La méthode proposée dans cet article permet de considérer un niveau de branchement plus élevé que les méthodes conventionnelles le permettent. Pour atteindre cet objectif, nous posons l'hypothèse selon laquelle le processus stochastique décrivant les paramètres aléatoires subit une perte de mémoire à la fin de la première étape. L'arbre de scénarios résultant de cette hypothèse possède une structure symétrique spéciale à la deuxième étape que nous exploitons en appliquant un schéma de décomposition de Benders à deux étapes. Contrairement à la vaste majorité des méthodes de décomposition par étape proposées dans la littérature, chaque étape de décomposition de notre méthode correspond à plusieurs périodes consécutives. La méthode proposée fonctionne en construisant une fonction de recours convexe et linéaire par morceaux servant à représenter le coût espéré de deuxième étape en fonction de l'état du système à la fin le la première étape dans le problème maître. Le sous-problème et le problème maître sont des programme stochastique définis sur un sous-arbre et peuvent être résolus directement ou par une méthodes de décomposition conventionnelles. Nous démontrons l'efficacité de notre méthode en l'appliquant sur une version réduite du parc de production québécois sur un horizon de 104 semaines.  ABSTRACT: In this thesis, we consider the midterm production planning problem (MTPP) of hydroelectricity generation under uncertainty. The aim of this problem is to manage a set of interconnected hydroelectric reservoirs over several months. We are particularly interested in high dimensional reservoir systems that are operated by large hydroelectricity producers such as Hydro-Québec. These producers operate a complex production system and must satisfy tight operational constraints in an highly uncertain decision environment. In general, midterm optimization models consider a weekly or monthly time step and rely on a simplified representation of the power system. The main source of complexity of the MTPP is usually related to the representation of uncertainty. Random parameters of the MTPP are usually characterized by a complex probability distribution function which is difficult to represent in numerical optimization models. Over the past decades, several stochastic optimization methods were proposed in the literature for managing hydroelectric reservoirs over the midterm planning horizon. Most of these methods are only applicable on low- or medium-size systems due to the curse of dimensionality. stochastic optimization methods that are based on a scenario tree representation of uncertainty are among the rare approaches that can be used on large hydroelectric reservoir systems. These methods work by replacing the original continuous distribution by a discrete distribution possessing a finite number of possible realizations. The stochastic program to be solved can be reformulated into a deterministic equivalent program whose size is proportional to the system size. The main limitation with this approach is due to the exponential growth of the DEP's size with the branching level of the tree. In practice, the DEP is usually quite large and must be solved using a decomposition method which exploits its special mathematical structure. The aim of this thesis is to develop and evaluate different decomposition methods for solving the MTPP under uncertainty. This thesis is divided in three articles. The first article demonstrates the applicability of the progressive hedging algorithm (PHA), a scenario decomposition method, for managing hydroelectric reservoirs with multiannual storage capacity under highly variable operating conditions in Canada. The PHA is a classical stochastic optimization method designed to solve general multistage stochastic programs defined on a scenario tree. This method works by applying an augmented Lagrangian relaxation on non-anticipativity constraints (NACs) of the stochastic program. At each iteration of the PHA, a sequence of subproblems must be solved. Each subproblem corresponds to a deterministic version of the original stochastic program for a particular scenario in the scenario tree. Linear and a quadratic terms must be included in subproblem's objective functions to penalize any violation of NACs. An important limitation of the PHA is due to the fact that the number of subproblems to be solved and the number of penalty terms increase exponentially with the branching level in the tree. This phenomenon can make the application of the PHA particularly difficult when the scenario tree covers several tens of time periods. Another important limitation of the PHA is caused by the fact that the difficulty level of NACs generally increases as the variability of scenarios increases. Consequently, applying the PHA becomes particularly challenging in hydroclimatic regions that are characterized by a high level of seasonal and interannual variability. These two types of limitations can slow down the algorithm's convergence rate and increase the running time per iteration. Overall, very few researchers applied the PHA on reservoir management problems. The few studies that consider this type of application consider a short-range horizon with a small scenario tree. In this study, we apply the PHA on Hydro-Qu\'ebec's power system over a 92-week planning horizon. Hydrologic uncertainty is represented by a scenario tree containing 6 branching stages and 1,635 nodes. The PHA is especially well-suited for this particular application given that the company already possess a deterministic optimization model to solve the MTPP. In fact, only a few minor modifications are required to transform the current model into a new PHA-based stochastic optimization. The second article presents a new approach which enhances the performance of the PHA for solving general Mstochastic programs. The proposed method works by applying a multiscenario decomposition scheme on the stochastic program. Our heuristic method aims at constructing an optimal partition of the scenario set by minimizing the number of NACs on which an augmented Lagrangean relaxation must be applied. Each subproblem is a stochastic program defined on a group of scenarios. NACs linking scenarios sharing a common group are represented implicitly in subproblems by using a group-node system index instead of the traditional scenario-time index system. Only the NACs that link the different scenario groups are represented explicitly and relaxed. The proposed method is evaluated numerically on an hydroelectric reservoir management problem in Qu\'ebec. The results of this experiment show that our method has several advantages. Firstly, it allows to reduce the running time per iteration of the PHA by reducing the number of penalty terms that are included in the objective function and by reducing the amount of duplicated constraints and variables. In turn, this allows to reduce the running time per iteration of the algorithm. Secondly, it allows to increase the algorithm's convergence rate by reducing the variability of intermediary solutions at duplicated tree nodes. Thirdly, our approach reduces the amount of random-access memory (RAM) required for storing Lagrange multipliers associated with relaxed NACs. The third article presents an extension of the L-Shaped method designed specifically for managing hydroelectric reservoir systems with a high storage capacity. When such systems are considered, the midterm planning horizon usually contains several tens of time periods and conventional decomposition methods such as the PHA can only be used if a low branching level is used. In these situations, the scenario tree typically corresponds to a very coarse representation of the underlying continuous probability distribution. The method proposed in this paper enables to consider a higher branching level than conventional decomposition method enables. To achieve this, we assume that the stochastic process driving random parameters has a memory loss at time period. Because of this assumption, the scenario tree possess a special symmetrical structure at the second stage. We exploit this feature using a two-stage Benders decomposition method. Contrary to most stage-wise decomposition methods that were proposed in previous studies, each decomposition stage covers several consecutive time periods. The proposed method works by constructing a convex and piecewise linear recourse function that represents the expected cost at the second stage in the master problem. The subproblem and the master problem are stochastic program defined on scenario subtrees and can be solved using a conventional decomposition method or directly. We test the proposed method on an hydroelectric power system in Québec over a 104-week planning horizon.


identifier: Trudel, A. (2013). Étude expérimentale de la propagation de fissures de fatigue dans la zone affectée thermiquement de joints soudés de roues de turbines hydrauliques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente une étude expérimentale sur le comportement en fatigue-propagation en milieu aqueux de la zone affectée thermiquement de joints soudés de roues de turbines hydrauliques en acier inoxydable CA6NM. L'objectif primaire de ce projet était de déterminer les propriétés en fatigue-propagation de la zone affectée thermiquement. Des essais de fatigue-propagation en milieu aqueux ont été réalisés afin de déterminer le seuil de propagation ΔKseuil, et les paramètres de la loi de Paris C et m de la zone affectée thermiquement. Étant donné les potentielles incertitudes expérimentales associées à la propagation d'une fissure confinée à la zone affectée thermiquement, des essais de fatigue-propagation en milieu aqueux à variation du facteur d'intensité de contrainte (ΔK) constant ont été réalisés de manière à ce que la fissure traverse la zone affectée thermiquement. Ces essais ont permis de mieux apprécier la variation de la résistance à la propagation des fissures de fatigue entre les trois zones de la soudure, soient le métal d'apport, la zone affectée thermiquement et le métal de base. Pour atteindre ces objectifs, un plan expérimental a été mis en place. Une plaque de CA6NM a été soudée de manière à générer une couche de métal d'apport. La plaque soudée a été sciée en deux pièces identiques, dont une a subi un traitement thermique post-soudage afin d'en étudier l'effet sur le comportement en fatigue-propagation. Des éprouvettes de type compact tension ont été usinées à partir des plaques soudées. Des échantillons rectangulaires ont aussi été prélevés pour la caractérisation de la soudure. Des observations métallographiques et des mesures de diffraction aux rayons-X ont été réalisées dans les trois zones de la soudure (métal d'apport, zone affectée thermiquement et métal de base) afin d'en caractériser la microstructure. Cette caractérisation microstructurale, jumelée à des observations métallographiques du profil des fissures, ont été utiles afin d'identifier les effets microstructuraux agissant sur le comportement en fatigue-propagation. Des mesures de microdureté ont été réalisées à travers la soudure afin de quantifier la taille de la zone affectée thermiquement, et de permettre une caractérisation mécanique relative entre les trois zones de la soudure. Les contraintes résiduelles présentes dans les échantillons de fatigue ont été mesurées afin d'en déterminer l'influence sur le comportement en fatigue-propagation. Enfin, des observations des faciès de rupture ont été réalisées à l'aide d'un microscope électronique à balayage afin d'identifier les principaux mécanismes de rupture.  ABSTRACT: This thesis presents the results of a comprehensive experimental study on the fatigue crack propagation behavior in aqueous environment of the heat affected zone of CA6NM stainless steel hydraulic turbine runner welds. The initial objective of this project was to determine the fatigue crack growth properties of the heat affected zone. To achieve this, standardized fatigue crack growth tests in aqueous environment were performed to determine the crack growth threshold ΔKth, and the Paris relationship constants C and m of the heat affected zone. Given potential experimental uncertainties arising from the growth of a crack confined to the heat affected zone, fatigue crack growth tests in an aqueous environment at constant stress intensity factor range (ΔK) were performed so that the crack would propagate across the heat affected zone. These tests allowed to better appreciate the fatigue crack growth resistance variation between the three zones of the weld, i.e., the filler metal, the heat affected zone and the base metal. Various experimental objectives were supplemented to these two primary objectives. A CA6NM plate was welded to generate a layer of filler metal over its entire surface. The welded plate was cut in two equal pieces, one of which was post-weld heat treated in order to study the effect of this treatment on the fatigue crack growth behavior. Compact tension type fatigue specimens were machined from the welded plates. Rectangular samples were also collected to allow the characterization of the weld. Metallographic observations and X-ray diffraction measurements of the three zones of the weld (filler metal, heat affected zone and base metal) were conducted in order to characterize the microstructure. This microstructural characterization combined with metallographic observations of the crack path profiles were useful in assessing the microstructural effects acting on the fatigue crack growth behavior of the weld. Microhardness measurements were carried out across the weld in order to quantify the heat affected zone width and to allow a relative mechanical characterization of the three weld zones. Residual stresses were measured in fatigue specimens to determine their influence on the fatigue crack growth behavior. Finally, the fracture surfaces were observed using a scanning electron microscope in order to identify the main fracture mechanisms. This work led to several conclusions about the fatigue crack growth behavior in aqueous environment of hydraulic turbine runner welds, and especially in the heat affected zone.


identifier: Farah, A. (2013). Comportement en fatigue de joints d'aluminium 7075-T6 soudés par friction-malaxage et parachevés  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le soudage par friction-malaxage (SFM) est un procédé d'assemblage à l'état solide. La température du métal de base est comprise entre 0,6 et 0,8 fois la température de fusion. Il permet de souder des alliages d'aluminium de haute résistance (séries 2000 et 7000) qui ne pouvaient jusqu'à ce jour être assemblés que par rivetage. L'utilisation de ce procédé dans la construction des aéronefs permet de réduire les coûts de fabrication et, indirectement, les coûts d'opération grâce aux allégements structuraux qu'il permet. Cependant, malgré les nombreux travaux de recherche effectués au sujet du SFM incluant l'évaluation des performances des joints soudés pour des alliages d'aluminium de haute résistance, les connaissances sur la résistance en fatigue de ces joints sont limitées. Les sillons laissés à la surface du joint par l'outil, les bourrelets de soudage et la déformation des tôles soudées sont des problèmes inhérents au SFM. Les sillons et les bourrelets sont des zones de concentration de contraintes qui facilitent l'amorçage des fissures de fatigue alors que les déformations rendent l'assemblage des tôles soudées plus difficile, en particulier pour des pièces à géométrie 3D complexe. À ce propos, des procédés de parachèvement permettant de réduire la sévérité des défauts géométriques et / ou la déformation des tôles pourraient constituer des ajouts déterminants pour l'utilisation à grande échelle du SFM. Dans le cadre d'une collaboration de recherche sur le SFM entre l'École Polytechnique de Montréal et le Conseil National de Recherches du Canada , la présente recherche a pour but d'étudier le comportement en fatigue de joints SFM bout à bout en AA7075–T6 à l'état brut de soudage et après parachèvement par brossage, galetage, usinage et traitement thermique de mise en solution et revenu. Chacun de ces procédés de parachèvement a été examiné afin de d'évaluer son potentiel pour résoudre les problèmes du SFM mentionnés plus haut. Par exemple, le brossage est étudié comme moyen de minimiser les défauts de surface (sillons et bourrelets). Le galetage est considéré afin de réduire la déformation des tôles soudées. L'usinage de la surface supérieure des joints doit permettre de comprendre la réponse mécanique en l'absence de défaut de surface. Finalement, un traitement thermique de mise en solution et revenu est susceptible de restaurer les propriétés mécaniques affectées par la dissolution des précipités pendant le SFM.  ABSTRACT: Fatigue Behaviour of Friction Stir Welded AA7075-T6 with Post-Weld Treatments Friction stir welding (FSW) is an emergent solid state joining technology that involves processing at temperatures typically in the range of 0.6-0.8 of the melting point of the material. For the assembly of high strength aluminum alloys (i.e. 2000 and 7000 series), the FSW process offers an alternative approach to manufacturing by mechanical fastening (e.g. riveting). Through the application of FSW, fabrication of aircraft structures can be rendered cost-efficiently with concomitant benefits of lower operational costs due to lightweighting. Nonetheless, despite considerable scientific throughput in FSW process development and evaluation for high strength aluminum alloys, there is still limited knowledge on the fatigue resistance of the welded joints. In consideration of the surface characteristics of the joint after FSW, inherent shortcomings of the process include the striations and burrs on the upper (crown) surface of the weld, as well as distortion of the assembly, especially in thin-gauge structures. In particular, weld striations and burrs are stress concentration regions that facilitate fatigue crack initiation. By contrast, distortion from welding poses considerable challenges for final assembly, especially for 3D complex geometries. In this respect, post-weld treatments that mitigate the severity of the geometrical defects (i.e. striations, burrs) and/or the weld distortions would be key enablers for widespread application of FSW. In the framework of a research collaboration on FSW between Ecole Polytechnique de Montreal and the National Research Council of Canada (NRC), the present study was targeted to determine the mechanical response (tensile and fatigue) of friction stir butt welded AA7075-T6 in the as-welded condition, as well as after different post-weld treatments, including brushing, deep rolling, machining, and solution heat treatment and precipitation hardening. Each post-weld treatment was deliberated to address the concerns in regard to FSW of AA7075-T6. For instance, brushing was considered for minimizing the surface defects (striations and burrs). Deep rolling was intended for reducing distortion in the welds.


identifier: Sommier, E. (2013). Optimisation du procédé de fabrication d'isolateurs vibratoires en polychloroprène  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de maîtrise a été mis en place dans le but de répondre à une problématique rencontrée dans l'industrie  des véhicules récréatifs. Le moteur de ce type de véhicule est source de vibrations qui peuvent être inconfortables tant pour l'utilisateur que pour les autres éléments mécaniques du véhicule.  Dans le but de réduire les effets nocifs de ces vibrations, des isolateurs viscoélastiques sont montés entre le moteur et la structure.  Certains isolateurs sont fabriqués à base de Polychloroprène qui un élastomère offrant une combinaison de propriétés mécaniques et résistances particulièrement intéressante pour une application d'isolation vibratoire dans des environnements difficiles. Cependant, ces pièces présentent des variabilités notables et inexpliquées de leurs propriétés mécaniques suite à leur fabrication.  L'objectif de ce projet de recherche est donc d'investiguer les différentes sources éventuelles de variabilité intervenant lors du procédé de fabrication des supports, et ainsi d'évaluer leur impact sur les propriétés mécaniques de ces pièces. Il s'agit de regarder l'ensemble du procédé de fabrication des supports de moteur, de la préparation du mélange d'élastomère, au moulage des pièces puis de leur conditionnement après moulage jusqu'à la livraison au client. Le travail de recherche effectué a été divisé en deux volets. Tout d'abord, l'effet des différents aspects externes au procédé central de moulage des pièces a été analysé: le mélangeage (en amont), la thermique du moule (pendant), et le refroidissement des pièces (en aval). Ensuite, les paramètres intervenant lors du processus de moulage par injection des pièces ont été considérés. Pour mener à bien ces deux points, l'homogénéité du mélange brut a tout d'abord été vérifiée à l'aide de mesures expérimentales du module élastique. Ces mesures ont été réalisées à l'aide d'un tensiomètre sur des éprouvettes du mélange étudié.  Par la suite, afin de vérifier l'uniformité de la distribution de température dans un moule à injection, un modèle thermique par éléments finis d'un moule de production a été développé et validé par des mesures expérimentales réalisées à l'aide d'un thermocouple. Cela a permis d'acquérir une première idée de la distribution de température dans un moule, en dépit du fait que les conditions aux limites appliquées se soient avérées insuffisantes pour reproduire fidèlement la réalité. Néanmoins, un moule permettant de mouler plusieurs pièces à la fois a été investigué. Et l'effet de la position de la cavité de cuisson sur les propriétés a pu être analysé. Les supports ont été expérimentalement caractérisés à l'aide d'une machine servo-hydraulique de traction permettant d'évaluer leurs propriétés statiques et dynamiques. Deux modes de refroidissement après cuisson ont été comparés, le refroidissement en condition normale de production, et le refroidissement à l'air ambiant. Il s'est avéré que le premier mode était trois fois plus préjudiciable que le second et n'autorisait pas un refroidissement uniforme adéquat des pièces.  ABSTRACT: The project presented in this thesis was established as a means to find answers to issues encountered in the recreation vehicule industry. Recreation vehicule engine generates vibration that can lead to passenger incomfort or to mechanical failure. The reduction of such vibration has been a major focus for the industry.  As a means to overcome this problem, passive isolators are generally placed between the engine and the structure.    However, engine mounts made of Polychloroprene rubber present abnormal variability in their mechanical properties.  The main purpose of this research project was to investigate the possible sources of variability occuring during the manufacturing process of isolators, and thus evaluate their impact on parts mechanical properties. The work consisted to look at the global manufaturing process, namely elastomer mixture preparation, parts molding and cooling. As such, the research work was divided in two major stages. First of all, external aspects to the main molding process were considered, including mixture preparation, mold thermal variations and parts cooling. Then the parameters directly involved during the injection molding process were investigated. The homogeneity of the raw mixture was analized through experimental measurements of the elastic modulus. Tests were done with a tensiometer on dumbbells. Subsequently, as a means to verify the uniformity of the temperature distribution in a mold, a thermal finite element model was developped based on a production mold geometry. The model was validated through experimental measurements using a thermocouple. Comparison with experiment confirmed that the model gives a first good idea of the temperature distribution in the mold. But some adjustments of the boundary conditions are still needed to accurately reproduced the reality.   Nevertheless, as the mold produces several parts at a time, a comparison between cavity locations was done in order to assess their effect on properties. Engine mounts were experimentally characterized using a servo-hydraulic uniaxial load machine to evaluate their static and dynamic properties. Thereafter, two different cooling operation procedures were compared, namely the production cooling method, and the ambiant air cooling method. It was found that the production cooling method was three times more detrimental than the second method, and did not allow an adequate uniform cooling of molded parts. Finally, the design of experiments methodology was applied to identify the most influential parameters of the injection molding process. A relationship was established between those parameters and mechanical properties. It was found that temperature linked parameters had a predominant effect. Moreover, it was demonstrated that the variability decreased with a higher curing state of molded parts. Keywords: Elastomers, vibration, isolation, manufacturing process, injection molding.


identifier: Bourgault, G. (2013). Gestion de l'incertitude causée par l'incohérence d'échelle spatiale à l'interface de l'inventaire et de l'analyse des impacts en ACV  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse du cycle de vie (ACV) se divise en deux phases de calcul. L'inventaire du cycle de vie (ICV) prédit la quantité de chaque polluant émis par les processus élémentaires (PÉ) (usines, transport, extraction de matières premières). Il est possible de trouver les coordonnées géographiques d'une minorité de PÉs. Les autres PÉs sont modélisés par une base de données générique d'ICV, dont la résolution spatiale est généralement nationale : le pays du PÉ est connu, mais pas sa position au sein du pays. La seconde phase de calcul, l'évaluation des impacts de cycle de vie (ÉICV), modélise le sort, l'exposition et l'effet des polluants sur la santé humaine et la biodiversité, par l'intermédiaire de facteurs de caractérisation (FCs). Pour certaines catégories d'impacts dites « régionales », comme l'acidification, l'eutrophisation, les effets respiratoires, etc., les FCs varient fortement sur de courtes distances. Cette variabilité spatiale peut atteindre plusieurs ordres de grandeur sur le territoire d'un même pays. Dans l'absence d'informations spatiales plus précises sur l'inventaire, on doit caractériser les flux d'inventaire à l'aide de FCs agrégés. Cette situation cause une augmentation d'incertitude qui n'avait pas été quantifiée jusqu'à présent. Cette thèse propose un ensemble d'outils nécessaires à la gestion de cette incertitude. L'algorithme d'agrégation permet la quantification de l'incertitude créée par cette opération et l'identification des pays où l'utilisation des FCs agrégés devrait être évitée. Les résultats préliminaires indiquent que pour la catégorie d'impact de l'utilisation de l'eau sur la santé humaine, la variabilité spatiale et l'incertitude couvrent la même gamme de valeur pour la majorité des pays. Le manque d'information spatiale ne sera donc pas une source majeure d'augmentation de l'incertitude, sauf pour certains cas, identifiés par un indicateur d'augmentation d'incertitude élevé. La méthodologie d'agrégation et de calcul de l'indicateur d'augmentation d'incertitude pourront être appliqués à d'autres catégories d'impact à mesure que l'incertitude sur les FCs natifs sera publiée. La thèse introduit aussi la puissance statistique, outil tiré des tests d'hypothèse pour juger de la signifiance de différences entre deux variables aléatoires, et montre comment il pourrait être utilisé dans la pratique des analystes et le développement du modèle. La puissance statistique permet d'alimenter la discussion et l'interprétation de l'incertitude dans le cadre d'une étude. Cette quantité représente la probabilité que la conclusion soit la bonne, malgré la présence vi d'incertitudes. Pour les développeurs de modèles, la puissance statistique permet de juger de la signifiance de la différence entre les différents FCs créés pour une même substance. Les résultats préliminaires indiquent que pour la catégorie d'impact de l'utilisation de l'eau sur la santé humaine, même pour les pays comportant plus d'une dizaine de FCs, il ne seraient pas justifié de créer plus de deux ou trois archétypes de FCs. La différence entre un plus grand nombre d'archétypes ne serait pas statistiquement significative. La thèse argumente en faveur de la création de FCs par industrie. Les proxys d'émission par industrie permettent de localiser les émissions en fonction de la répartition géographique d'une industrie, qui pourrait être très différente de la répartition géographique de la population (l'hypothèse par défaut appliquée jusqu'à présent). Ces proxys d'émission produisent des FCs agrégés plus pertinents. De plus, chaque industrie se retrouve concentrée dans un petit nombre de cellules, ce qui réduit la variabilité spatiale, comparativement à une agrégation qui ne tient pas compte de la source de l'émission. Finalement, un algorithme de calcul de scores d'impacts, focalisé sur les besoins des analystes, permet la spatialisation ponctuelle de PÉs. L'algorithme permet d'accéder au détail de la chaine d'approvisionnement, information essentielle si un analyste veut remplacer un FC agrégé par un FC natif. L'accès à ce détail permet aussi d'identifier les points chauds d'incertitude et les meilleures opportunités de réduction de sa réduction.  ABSTRACT: Life cycle assessment (LCA) is divided in two calculation phase. The first, life cycle inventory (LCI), predicts the quantity of pollutants emitted by each unit process (UP) (facility, transport, mines). Only a minority of those UP can be geolocalized. The others are modeled through a generic LCI database, whose spatial resolution is typically the national scale: the country of a UP is known, but not its position within the country. The second phase of the calculation, life cycle impact assessment (LCIA), links the emissions to impacts on human health and biodiversity through characterization factors (CF) taking into account the fate, exposure and effect of pollutants. For the regional impact categories like acidification, eutrophication, respiratory effects, etc., the CFs can vary over several orders of magnitude within the same country. In absence of sufficient spatial information, elementary flows have to be characterized by aggregated CFs. This causes an increase in the uncertainty that had not been quantified until now. This thesis proposes a suite of tools necessary for the management of this uncertainty. The aggregation algorithm allows the quantification of the uncertainty and helps identify the countries where the use of aggregated CFs should be avoided. Preliminary results indicate that for the human health impact of water consumption, spatial variability and uncertainty cover roughly the same range of value for a majority of countries. The lack of spatial information will not be a major source of uncertainty, except for certain cases, identified by the uncertainty increase indicator. The aggregation methodology and the calculation of the indicator will be applied to other impact categories as the uncertainty on native CFs is published. The thesis introduces the statistical power, a tool borrowed from hypothesis tests, to evaluate the significance of the difference between two random variables, and shows how it should be used in the development of the model and by the practitioners of LCA. Statistical power can be used in the discussion and interpretation phase of an LCA. This quantity represents the probability that the conclusion is the right one, despite the presence of uncertainty. This number can be communicated to the decision-maker and checked again his risk aversion. For the model developer, the statistical power allows to judge the significance of the difference between different native CFs for the same substance. Preliminary results for the human health impact of water consumption indicate that even for countries with more than a dozen CFs, it is not justified viii to create more than two or tree archetypes of CFs. The difference between a larger number of archetypes would not be statistically significant. The thesis argues in favor of the creation of industry-specific CFs to reduce even more the spatial variability. The industry-specific emission proxies allow may predict a very different spatial repartition of emissions, compared with population proxies (the default assumption) or industrygeneric emission proxies. Those proxies produce more relevant CFs. Also, each industry is concentrated in a smaller number of cells, which reduces spatial variability, compared to an industry generic aggregation. Finally, an algorithm of impact score calculation, with a focus on the needs of the practitioners, allows for the punctual spatialization of UP. The algorithm reveals all the relevant details of the structure of the supply chain. This information is essential for analysts who want to identify uncertainty hot spots and maximize the reduction of uncertainty.


identifier: Massicotte, G. (2013). Biocapteur ampérométrique intégré pour une unité de détection dédiée aux neurotransmetteurs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La signalisation chimique intercellulaire façonnée par l'interaction des neurotransmetteurs joue un rôle capital dans le fonctionnement des processus cérébraux. L'analyse de l'activité neuronale chimique en temps réel dans toute sa complexité aiderait les neuroscientifiques à comprendre les mécanismes du cerveau humain et de ses pathologies neurodégénératives. Les systèmes actuellement employés dans les laboratoires de neuroscience sont limités dans leur capacité à fournir des mesures précises et adaptées aux évènements hétérogènes associées à l'activité de plusieurs neurotransmetteurs. Pour ce faire, le laboratoire de neurotechnologies Polystim envisage la conception d'un laboratoire sur puce (LSP) implantable, dédié au monitorage des substances neurochimiques circulant dans l'espace intercellulaire cérébral. Ce mémoire propose une unité de détection électrochimique associée à un tel système et conçue pour la quantification des neurotransmetteurs du liquide intercérébral. Nous proposons une architecture composée de biocapteurs utilisant un potentiostat intégré avec la technologie CMOS comme transducteur et des électrodes de mesure fonctionnalisées avec des nanotubes de carbone pour une détection sensible et sélective. Le potentiostat intégré proposé génère des mesures de temps facilement traitables numériquement qui sont proportionnelles aux courants d'oxydo-réduction produits à l'interface des électrodes de mesure. Sa configuration quantifie séparément les courants d'oxydation et de réduction à l'aide de deux canaux de mesures, selon une technique d'ampérometrie à tension constante. L'architecture est composée d'un amplificateur, d'un comparateur haute vitesse et d'un convertisseur numérique à analogique (Digital to Analog Converter - DAC). Ce dernier est partagé entre les deux canaux de sorte à réduire le temps de mesure total en fonction de l'amplitude des courants détectés. Cette topologie procure un compromis entre la plage dynamique d'entrée, la fréquence d'échantillonnage et la résolution de mesures, trois paramètres importants pour accommoder la détection et la quantification d'une grande variété de neurotransmetteurs en temps-réel. Afin de valider le prototype du potentiostat implémenté, une plateforme multi-électrodes de mesure est fabriquée et fonctionnalisée avec des films composites à base de nanotubes de carbone (Carbon Nanotubes - CNT), pour une détection sélective à la dopamine et au glutamate, deux neurotransmetteurs communs. Le circuit intégré du potentiostat est implémenté avec la technologie 0,13 µm CMOS d'IBM. Un circuit imprimé (Printed Circuit Board - PCB) comprenant un FPGA pour la gestion des signaux de contrôle et l'acquisition des données a été fabriqué pour la caractérisation expérimentale du circuit. Malgré une non-linéarité du DAC intégré fabriqué, des courants d'oxydation et de réduction d'une plage de 600 nA à 20 pA à une fréquence d'échantillonnage minimale de 1,25 kHz ont pu être mesurés expérimentalement en utilisant un DAC commercial externe. Également, le biocapteur formé du potentiostat fabriqué et de la plateforme d'électrodes fonctionnalisées est validé par des mesures biologiques en milieu in vitro concluantes pour différentes concentrations de dopamine et de glutamate en solution, en termes de sensibilité et de sélectivité des mesures ampérométriques obtenues. Ces résultats fondent la preuve de concept du biocapteur proposé comme composant de base de l'unité de détection.  ABSTRACT: Intercellular chemical signaling shaped by the interaction of neurotransmitters plays a crucial role in the functioning of brain processes. The analysis of chemical neural activity in real time in all its complexity would help neuroscientists understand the mechanisms of the human brain and its neurodegenerative diseases. Systems currently used in neuroscience laboratories are limited in their ability to provide accurate and appropriate measurements to the heterogeneous events associated with the activity of several neurotransmitters. Polystim Neurotechnologies Laboratory is therefore designing an implantable Lab on Chip (LOC) dedicated to the monitoring of neurochemicals circulating in the brain's intercellular space that provides the needed features. This thesis presents an electrochemical detection unit associated with such system, designed for the quantification of neurotransmitters in the intracerebral liquid. We propose an architecture composed of biosensors using a potentiostat integrated with CMOS technology as transducer, and measuring electrodes with functionalized carbon nanotubes for sensitive and selective measurements. The proposed integrated potentiostat generates time measurements easily treatable digitally, which are proportional to redox currents produced at the interface of the measuring electrodes. Its configuration separately quantizes oxidation and reduction currents by using two measuring channels, according to a constant voltage amperometry technique. The architecture consists of an amplifier, a high-speed comparator and a digital-to-analog converter (DAC). The latter is shared between the two channels in order to reduce the total measurement time as a function of the detected currents amplitude. This topology provides a compromise between the input dynamic range, sampling frequency and resolution measurements, three important parameters to accommodate the detection and quantification of a wide variety of neurotransmitters in real time. To validate the prototype of the implemented potentiostat, a multi-electrode measuring platform is fabricated and functionalized with composite films based on carbon nanotubes (CNTs), for dopamine and glutamate, two common neurotransmitters, selective detection. The potentiostat integrated circuit is implemented with IBM 0.13 µm CMOS technology. A printed circuit board (PCB) containing an FPGA managing control signals and data acquisition, was made to experimentally characterize the fabricated circuit. Despite the non-linearity of the manufactured integrated DAC, oxidation and reduction currents ranging from 600 nA to 20 pA at a minimum sampling frequency of 1.25 kHz could be measured experimentally using an external commercial DAC. Also, the biosensor formed by the potentiostat and the functionalized electrodes platform is validated by conclusive in vitro biological measurements of dopamine and glutamate in solutions, in terms of sensitivity and selectivity. These results forms the proof of concept of the proposed biosensor as the base component of the detection unit.


identifier: Ghassemi, N. (2013). Millimeter-Wave Substrate Integrated Waveguide Antenna and Front-End Techniques for Gigabyte Point-to-Point Wireless Services  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La relativement faible absorption atmosphérique dans les bandes de fréquences E et W a permis le développement de nombreuses applications sans-fil. Les bandes de fréquences de 71-76 GHz, 81-86 GHz et 94.1-97 GHz sont toutes assignées au spectre de communication sans-fil gigabyte par la Federal Communication Commission (FCC) des États-Unis. Lorsque la fréquence augmente vers la région des ondes millimétriques, l'efficacité et la qualité des lignes micro-ruban sont affectées par de sérieuses pertes de transmission et par l'interférence inter-signaux. D'un autre côté, la technologie des guides d'ondes classique est demeurée populaire pour la conception de systèmes haute perfomance dans la bande E/W. Cependant, cette technologie n'est pas appropriée pour une production à grande échelle et à faible coût à cause de sa structure encombrante et coûteuse. De plus, la structure non-planaire des guide d'ondes rend difficile la connection à des composantes planaires actives ainsi qu'à d'autres lignes planaires telles que les lignes micro-ruban et les guides d'ondes coplanaires (CPW). Afin de remédier à ce problème, les circuits intégrés aux substrats (SIC) ont été proposés comme une solution à faible coût, à efficacité élevée, planaire et intégrée au substrat pour des applications à hautes-fréquences. Les guides d'ondes intégrés aux substrats (SIW), faisant partie de la famille des SIC, possède non seulement les avantages des guides d'ondes rectangulaires mais aussi d'autres bénéfices comme un faible coût, une petite taille, un poids léger et la facilité de fabrication par les techniques de fabrication des PCB ou d'autres techniques. Dans cette thèse, nous élargissons la recherche sur les SIW en proposant et développant une variété d'antennes innovatrices, de réseaux d'antennes et de composantes passives millimétriques qui sont appliqués à la conception et à la démonstration de réseaux d'antennes intégrés et d'étages d'entrée de systèmes de communication en bande E/W. Les contributions scientifiques principales du présent travail peuvent être résumées comme suit: Un réseau d'antenne 4x4 utilisant la technologie des guides d'ondes intégrés au substrat (SIW) pour la conception de son réseau d'alimentation est proposé et démontré. Des fentes longitudinales gravées sur la surface métallique du dessus du SIW sont utilisées pour alimenter les éléments du réseau d'antennes. Des cubes composés d'un matériau diélectrique à faible permittivité sont placés au-dessus de chaque réseau d'antenne 1x4 afin d'augmenter le gain des antennes patch. La largeur de bande de deux réseaux d'antennes 4x4 est d'environ 7.5 GHz (94.2-101.8 GHz) avec un gain de 19 dBi.  ABSTRACT: The relatively low atmospheric absorption over E-band and W-band (frequency window) has been spurred many wireless applications. Frequency bands of 71-76 GHz, 81-86 GHz, and 94.1-97 GHz are all allocated by the US Federal Communication Commission (FCC) as parts of gigabyte wireless spectrum. As frequency increases to millimeter wave region, the efficiency and quality of microstrip lines suffer from serious transmission losses and signal interferences. On the other hand, classical waveguide technology has been popular in the design of high-performance millimeter-wave systems at E/W-band. However, this technology is not suitable for low-cost and mass production because of its expensive and bulky structure. In addition, the non-planar structure of waveguide makes it difficult to get connected to planar active components and other planar lines such as microstrip line and coplanar waveguide (CPW). To overcome this bottleneck problem, substrate integrated circuits (SICs) have been proposed as low-cost and high-efficient integrated planar structures for high-frequency applications. Substrate integrated waveguide (SIW), which is part of the SICs family, has manifested not only the advantages of rectangular waveguide but also other benefits such as low cost, compact size, light weight, and easy fabrication using PCB or other processing techniques. In this Ph.D. thesis, we extend the research of SIW to the proposal and development of various innovative antennas, antenna arrays and millimetre-wave passive components, which are applied to the design and demonstration of integrated antenna arrays and E/W-band front-end sub-systems. The principal scientific contributions of this thesis work can be summarized in the following: A 4×4 antenna array is proposed and demonstrated using substrate-integrated waveguide (SIW) technology for the design of its feed network. Longitudinal slots etched on the SIW top metallic surface are used to drive the array antenna elements. Dielectric cubes made of low-permittivity material are placed on top of each 1×4 antenna array to increase the gain of circular patch antenna elements. Measured impedance bandwidths of two 4×4 antenna arrays are about 7.5 GHz (94.2–101.8 GHz) with 19 dBi gain. Design of planar dielectric rod antenna is proposed and studied, which is fed by Substrate Integrated Non-Radiative Dielectric (SINRD) waveguide. This antenna presents numerous interesting features such as broad bandwidth (94-104 GHz), relatively high and stable gain, use of high dielectric constant substrate, and substrate-oriented end-fire radiation.


identifier: Ebrahimpour, O. (2013). Fabrication of Mullite-Bonded Porous SiC Ceramics from Multilayer-Coated SiC Particles Through Sol-Gel and In-Situ Polymerization Techniques  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les céramiques poreuses en carbure de silicium (SiC) ont un avenir prometteur au sein d'une large variété d'applications, que ce soit en tant que produits finaux, ou encore au sein de nombreux procédés à haute température où elles peuvent servir de support de combustion gazeuse, de membranes ou de supports catalytiques, de filtres à haute température et autres. Cette large gamme d'applications potentielles est due à leur excellente et unique combinaison de propriétés mécaniques et physiques, telles qu'une haute conductivité thermique, un faible coefficient d'expansion thermique (CET) et une forte stabilité mécanique. En fonction de l'application à laquelle se destine la céramique de SiC, différents procédés de fabrication ont été développés et proposés. Parmi ceux-ci on retrouve la technique de liaison par réaction. Cette technique nécessite le mélange des particules de SiC avec un additif de frittage, tel que des poudres de Al2O3 ou de Y2O3, ainsi qu'avec un agent formateur de pores, tel que des particules de graphite ou des billes de polymère. Ce mélange est ensuite pressé et chauffé en présence d'air, contrairement à d'autres techniques qui utilisent une atmosphère inerte. Cette technique a prouvé être efficace pour la production de céramiques poreuses de SiC avec des propriétés satisfaisantes et ce à faible température de frittage (1500 °C). Néanmoins, les propriétés des céramiques poreuses de SiC, quelles soient mécaniques ou physiques, ainsi que le contrôle précis de la porosité et de la distribution de taille des pores peuvent encore être améliorés, nécessitant dès lors la révision de ce procédé ainsi que le développement d'une nouvelle voie de fabrication des céramiques poreuses de SiC. Afin d'atteindre une amélioration significative des performances de fabrication, une bonne dispersion de l'additif de frittage et de l'agent formateur de pores dans le matériel initial est requis. Dans ce travail, des céramiques poreuses de SiC liées par de la mullite sont préparées via la technique de liaison par réaction, assistée d'une part par la technique dite sol-gel, et d'autre part par la technique de polymérisation in-situ. La procédure typique de formation de ces céramiques consiste premièrement à enduire les particules de SiC par de l'alumine. Ceci est fait via la technique sol-gel avec comme réactifs des poudres calcinées et un sol d'alumine. Cette première étape est suivie par le séchage et le tamisage des poudres produites. Ensuite, ces dernières sont enduites de la quantité désirée de polyéthylène par la technique de polymérisation in-situ au sein d'un réacteur en suspension avec un catalyseur de type Ziegler-Natta. Après la polymérisation in- vi situ, les poudres enrobées sont à nouveau séchées et tamisées avant d'être pressées au sein d'un moule rectangulaire afin de former un corps vert, qui est ensuite chauffé. Durant le procédé de chauffage, à une température d'environ 500 °C, le polyéthylène est dégradé, et les pores sont formés au sein du matériel. L'augmentation de la température au dessus de 800°C mène à l'oxydation partielle de particules de SiC en silice. A plus haute température encore, supérieure à 1400°C, la silice nouvellement formée réagit avec l'alumine pour former de la mullite, qui joue alors le rôle de liant entre les particules restantes de SiC. Les spécimens de SiC poreux ainsi formés sont alors caractérisés à l'aide des essais de flexion en trois points, d'un porosimètre au mercure, de la technique de diffraction aux rayons X et d'un microscope électronique à balayage. Étant donné que l'oxydation des particules de SiC est une étape critique du procédé de fabrication des céramiques poreuses de SiC, la première partie de ce projet est consacrée à son étude à l'aide d'un appareil d'analyse thermogravimétrique (TGA). Les paramètres étudiés sont l'effet de la taille des particules (micro- et nanoparticules), de la température d'oxydation (910 °C – 1010 °C), ainsi que la masse initiale de particules de SiC sur l'oxydation des poudres de SiC. Les analyses TGA ont révélé que pour les échantillons avec une plus grande surface spécifique (et donc une plus petite taille de particules), l'oxydation débute à plus basse température. Dans le système étudié, la vitesse d'oxydation est contrôlée par la cinétique de réaction à la surface ainsi que la diffusion intra-particulaire. En plus de ces facteurs, il semblerait qu'une diffusion inter particules ait également lieu, qui doit alors être prise en compte au sein de la description de la vitesse globale de réaction. Afin d'évaluer la vitesse globale d'oxydation de SiC au sein d'un lit fixe de particules, un modèle réactionnel inédit a été développé. Il prend en compte toutes les étapes de diffusion (jusqu'à la surface du lit de particules, entre les particules au sein du lit, et au sein des particules elles-mêmes) ainsi que la cinétique d'oxydation. Finalement, l'état d'oxydation des particules de SiC a été analysé par diffraction aux rayons X. Il a été trouvé qu'aux températures supérieures à 1200°C, la structure amorphe de la silice se modifie pour former de la cristobalite. L'effet des différentes sources d'alumine (Al2O3 calcinés, le sol d'alumine ou une combinaison des deux) sur la structure mécanique, physique et cristalline de céramique SiC poreuse liée par mullite est étudié dans la deuxième partie du projet. Un sol d'alumine est synthétisé par hydrolyse de isoproxide d'aluminium selon la méthode Yoldas. L'observation par microscopie électronique en transmission (MET) montre que le sol d'alumine était homogène et avait une forme d'aiguille avec une épaisseur de 2-3 nm. Les changements cristallins au cours du processus de chauffage de vii sol d'alumine sont étudiés par diffractométrie de rayons X (DRX). En outre, spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) est réalisée afin d'identifier les groupes fonctionnels sur la surface d'alumine sol en fonction de la température. Dans cette phase, il a été constaté que l'augmentation de l'alumine calcinée nano poudre de 0 % en masse à 40% en masse permet d'améliorer la résistance mécanique et de diminuer la porosité des échantillons. Cependant, l'addition de l'alumine sous forme de sol conduit à augmenter la porosité et diminuer la résistance. L'analyse DRX et et la microscopie électronique à balayage (MEB) montrent que, à une faible quantité d'alumine (10 % en masse) sous forme de sol, toute l'alumine réagit avec la silice pour former la mullite ; tandis que, lorsque l'alumine est ajoutée sous forme calcinée, une fraction d'alumine reste dans le système. Les analyses de caractérisation montrent que lorsqu'une partir d'alumine calcinée (20% en masse) est remplacée par de l'alumine sol, les forces mécaniques et physiques sont améliorées (30%) par rapport à quand 100 % d'alumine calcinée est utilisée comme source d'alumine. Dans la troisième partie du projet, la faisabilité de la technique de polymérisation in situ est étudiée pour fabriquer des céramiques SiC poreuses. Dans cette partie, le mélange de SiC et de poudres d'alumine calcinés ont été recouverts par du polyéthylène par polymérisation in situ appelée la polymérisation processus cumulatif dans une phase de suspension. La polymérisation a été effectuée dans des conditions d'opération très modérées (T = 65 ° C, P = 48 kPa) en utilisant le système de catalyseur Ziegler-Natta (TiCl4 comme catalyseur et trois éthyl-aluminium en tant que co-catalyseur). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et l'analyse thermogravimétrique (TGA) et des études morphologiques (SEM et MET) révèlent la présence d'une forte densité de polyéthylène sur la surface de SiC et de poudres d'alumine. La quantité de polymère est commandée par la durée de la réaction de polymérisation. Les analyses MET et spectroscopie de photoélectrons X (XPS) ont démontré que la plupart des parties de particules sont recouvertes d'une fine couche de polyéthylène et de polymère. Les céramiques SiC poreuses fabriqués par ces particules traitées–possèdent des propriétés mécaniques et physiques supérieures par rapport aux échantillons réalisés sans aucun traitement. La caractérisation DRX du produit montre que l'intensité relative de mullite est plus élevée par rapport aux échantillons préparés par le procédé traditionnel. Les effets sur les propriétés physiques et mécaniques du produit final de la température de frittage (1500 °C et 1550 °C), la pression de formage (25 MPa, 50 MPa, 100 MPa) et la teneur en polymère (0% -19 % en masse) sont également étudiés. viii Dans la dernière phase de ce travail de recherche, l'objectif est de combiner le traitement sol-gel et le procédé de polymérisation in situ pour développer un nouveau procédé de fabrication de céramique SiC poreuses liés par mullite aux propriétés mécaniques et physiques améliorées. Par conséquent, les premières particules de SiC et les poudres d'alumine nano sont mélangées dans un sol d'alumine pour ajuster le poids d'alumine à 35 % en masse. Ensuite, la quantité désirée de catalyseur, qui dépend de la superficie totale de la surface des particules, est greffé sur la surface des poudres sous atmosphère inerte. En conséquence, la polymérisation commence à partir de la surface du substrat. Les poudres traitées ont été caractérisés par MEB, XPS et TGA. En outre, la quantité de photogène est déterminée par l'analyse TGA. L'analyse DRX confirme que, dans les échantillons produits par le nouveau procédé, les quantités de mullite et de cristobalite sont beaucoup plus élevées par rapport à celui préparé par la méthode conventionnelle. Selon les analyses DRX, céramiques SiC poreuses fabriqués par le procédé novateur, sont constitués de mullite, SiC, cristobalite et une petite quantité de l'alumine et de TiO2. L'analyse de la distribution des tailles des pores illustre que les céramiques fabriqués en utilisant le nouveau procédé conduit à une distribution de taille des pores étroite avec une taille de pores moyenne supérieure et une porosité élevée par rapport à la méthode traditionnelle. En outre, une résistance mécanique améliorée de plus de 35 % . L'analyse SEM confirme que la plupart des particules de SiC sont bien reliées entre elles et la croissance du cou entre les particules est bien développé. De plus, l'effet de la température de frittage (1500 °C, 1550 °C et 1600 °C) sur la structure cristalline des échantillons poreux est étudiée. Il est constaté que, dans les échantillons préparés à 1600 ° C pendant 3 heures dans l'air, les principales phases ont été la mullite et le carbure de silicium. En outre, il est suggéré que la conversion de TiCl4 à TiO2, introduit auparavant comme étant le catalyseur pour la formation du polymère, agit comme additif de frittage pour former de la mullite à une température de frittage inférieure. On conclut que l'application de la technique sol- gel et la polymérisation in situ est un moyen efficace pour améliorer la dispersion des poudres d'additifs de frittage et des pores anciens avec les matières premières, ce qui entraîne la formation de céramiques poreuses avec des propriétés améliorées à basse température de frittage .  ABSTRACT: Porous silicon carbide (SiC) ceramics have been regarded as promising candidates in a wide variety of applications as end products and in several high temperature processes, such as gas burner media, catalyst membrane reactors, catalyst supports, hot-gas particulate filter and molten metal filter due to the unique excellent combination of mechanical and physical properties, such as high thermal conductivity, a low coefficient of thermal expansion (CTE) and high mechanical stability. Depending on the application of porous SiC ceramics various fabrication processes have been developed and proposed. One of them is the reaction bonding technique, which involves the addition of a sintering additive, such as Al2O3 and Y2O3 powders, and a pore former, such as graphite particles or polymer beads, to the SiC particles and heating the pressed powders under air instead of an inert atmosphere. This has been shown as an effective way to produce porous SiC ceramics at a lower sintering temperature (1500 °C) with enhanced properties. However, there still is a need to improve the process and develop a new manufacturing route to fabricate porous SiC ceramics, precisely control the porosity and pore size distribution and improve both mechanical and physical properties of the final product. To achieve significant performance enhancements, good dispersion of the sintering additive as well as pore former into the starting materials is required. In this work, mullite-bonded porous SiC ceramics were prepared via a reaction bonding technique with the assistance of a sol-gel technique or in-situ polymerization as well as a combination of these techniques. In a typical procedure, SiC particles were first coated by alumina using calcined powder and alumina sol via a sol-gel technique followed by drying and passing through a screen. Subsequently, they were coated with the desired amount of polyethylene via an in-situ polymerization technique in a slurry phase reactor using a Ziegler-Natta catalyst. Afterward, the coated powders were dried again and passed through a screen before being pressed into a rectangular mold to make a green body. During the heating process, the polyethylene was burnt out to form pores at a temperature of about 500 °C. Increasing the temperature above 800 °C led to the partial oxidation of SiC particles to silica. At higher temperatures (above 1400 °C) derived silica reacted with alumina to form mullite, which bonds SiC particles together. The porous SiC specimens were characterized with various techniques, such as a three point bending test, mercury porosimetry, XRD and SEM. x As the oxidation process is an important step during the fabrication of porous SiC ceramics, the first part of the project was devoted to investigating the oxidation of SiC particles using a Thermogravimetric analysis (TGA) apparatus. The effects of particle size (micro and nano) and oxidation temperature (910 °C-1010 °C) as well as the initial mass of SiC particles in TGA on the oxidation behaviour of SiC powders were evaluated. TGA analysis revealed that in the samples that have a higher surface area (lower particle size) the oxidation started at a lower temperature. In the studied system, it was found that both surface kinetic and intra particle diffusion control the oxidation rate. Beside these factors, it was revealed that inter particle diffusion must also be taken into account to describe the overall kinetic rate. To illustrate the oxidation rate of SiC in the packed bed state, a new kinetic model, which takes into account all of the diffusion steps (bulk, inter and intra particle diffusion) and surface oxidation rate, was proposed. Furthermore, the oxidation of SiC particles was analyzed by the X-ray Diffraction (XRD) technique. It was found that at temperatures above 1200 °C, the amorphous structure of silica was transferred to cristobalite. The effect of different alumina sources (calcined Al2O3, alumina sol or a combination of the two) on the mechanical, physical, and crystalline structure of mullite-bonded porous SiC ceramics was studied in the second part of the project. Alumina sol was synthesized by the hydrolysis of Aluminum isopropoxide using the Yoldas method. Transmission electron microscopy (TEM) observation showed that alumina sol was homogenous and had a needle-like shape with a thickness of 2-3 nm. Crystalline changes during the heating process of alumina sol were studied using XRD. In addition, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy was performed to identify the functional groups on the alumina sol surface as a function of temperature. In this phase, it was found that increasing the calcined alumina nano powder (0 wt% to 40 wt %) improved the mechanical strength and decreased the porosity of the specimens. However, the addition of alumina in the sol form resulted in increasing porosity and decreasing strength. XRD analysis and scanning electron microscope (SEM) characterization revealed that at a low amount of alumina (10 wt%) in the sol form, all of the alumina reacted with silica to form mullite while when alumina was added in the calcined form, some of the alumina remained in the system. Characterization analysis showed that when some sources of calcined alumina (20 wt %) were replaced by alumina sol, both mechanical and physical strengths were enhanced (30%) compared to when 100% calcined alumina was used as the source of alumina. xi In the third part of the project, the feasibility of the in-situ polymerization technique was investigated to fabricate porous SiC ceramics. In this part, the mixture of SiC and calcined alumina powders were coated by polyethylene via in-situ polymerizing referred to as the polymerization compounding process in a slurry phase. The polymerization was conducted under very moderate operational conditions (T= 65 °C, P= 48 kPa) using the Ziegler-Natta catalyst system (TiCl4 as catalyst and three ethyl aluminum as co-catalyst). Differential scanning calorimetry (DSC) and TGA analysis and morphological studies (SEM and TEM) revealed the presence of a high density of polyethylene on the surface of SiC and alumina powders. The amount of polymer was controlled by the polymerization reaction time. TEM and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis demonstrated that most parts of particles were coated by a thin layer of polyethylene and polymer. The porous SiC ceramics, which were fabricated by these treated particles showed higher mechanical and physical properties compared to the samples made without any treatment. The XRD characterization of the product showed that the relative intensity of mullite was higher compared to the samples prepared by the traditional process. The effects of the sintering temperature (1500 °C and 1550 °C), forming pressure (25 MPa, 50 MPa, 100 MPa) and polymer content (0%-19 wt%) were also studied on the physical and mechanical properties of the final product. In the last phase of this research work, the focus of the investigation was to take advantage of both the sol-gel processing and in-situ polymerization method to develop a new process to manufacture mullite-bonded porous SiC ceramic with enhanced mechanical and physical properties. Therefore, first the SiC particles and alumina nano powders were mixed in alumina sol to adjust the alumina weight to 35 wt%. Then, the desired amount of catalyst, which depends on the total surface area of the particles, was grafted onto the surface of the powders under an inert atmosphere. Consequently, the polymerization started from the surface of the substrate. The treated powders were characterized by SEM, XPS and TGA. In addition, the amount of pore-former was determined by TGA analysis. The XRD analysis demonstrated that in the samples produced via the novel process the amount the mullite and cristobalite were much higher compared to the one prepared by the conventional method. According to the XRD analysis, porous SiC ceramics, which were fabricated by the novel process, consist of mullite, SiC, cristobalite and a small amount of alumina and TiO2 as a result of reaction of TiCl4 with air. Pore size distribution analysis illustrated that ceramics manufactured using the novel process resulted xii in a narrow pore size distribution with a larger average pore size and higher porosity compared to the traditional method. In addition, mechanical strength improved more than 35 %. The SEM investigation confirmed that most of the SiC particles were well connected together and the neck growth between particles was well developed. Furthermore, the effect of the sintering temperatures (1500 °C, 1550 °C and 1600 °C) on the crystalline structure of the porous samples was investigated. It was found that for the samples prepared at 1600 °C for 3h in air the main phases were mullite and silicon carbide. Furthermore, it was proposed that converting TiCl4 to TiO2, which was initially introduced as the catalyst during the polymer formation, acted as the sintering additive to form mullite at a lower sintering temperature. It was concluded that implementation of the sol-gel technique and in-situ polymerization was an effective way to enhance dispersion of sintering additive powders and pore-former with the starting materials, which results in the formation of porous ceramics with enhanced properties at a low sintering temperature.


identifier: Théberge-Barrette, C. (2013). Modéliser l'impact de la construction résidentielle sur la demande de déplacements  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La construction résidentielle à Montréal comme dans n'importe quelle ville, amène des questions importantes en termes de planification du transport et d'analyse des impacts. L'outil présentement utilisé au Canada et aux États-Unis pour l'estimation des déplacements générés par un développement résidentiel, le Trip Generation de l'Institut des ingénieurs en transport (ITE) est mal adapté pour la région Métropolitaine. Le développement d'une meilleure méthode d'évaluation des déplacements générés devient urgent dans un contexte de développement résidentiel massif dans la grande région de Montréal. Lors de la construction d'un projet résidentiel, certaines caractéristiques sont généralement connues tels le nombre de logements, le nombre de chambres et le prix demandé par logis. D'autres caractéristiques, habituellement utilisées pour prédire la mobilité des ménages, ne sont pas connues comme la taille, le nombre d'enfants et l'âge des personnes qui composeront le ménage habitant le logement. Le présent mémoire a comme mandat de développer des méthodes de prédictions du nombre de déplacements générés en fonction des caractéristiques connues lors d'un développement résidentiel : les propriétés du logement. Les données disponibles pour développer les modèles sont les données des enquêtes Origine-Destination et des recensements. Un extrait du rôle foncier a aussi été obtenu, mais sa contribution en termes d'ajout de variables explicatives avait peu de potentiel.  ABSTRACT: As in every other big city, residential development in Montreal has to be thought in relation with transportation planning. For now, ITE'S (Institue of Transportation Engineers) Trip Generation tool is the main instrument used in the United States and Canada to estimate trips generated through new residential developments. Unfortunately, this tool was not made to be used in urban context. The development of a better method of assessing trips generated by residential growth has become urgent considering the context of rapid residential growing in the greater Montreal area. Some variables are usually known when new residential developments are planned: number of dwellings, rooms per dwelling and, its cost. Others, usually used to describe household's mobility patterns, aren't. Among them, the household size and type, the age of its members or the presence of kids are particularly important. This thesis seeks to integrate dwelling unit properties as exploratory variables in trip generation models. Two main databases are used throughout this study: Origin-Destination travel survey and the national census data. A small part of the assessment roll was also available, but its contribution has not shown any real potential so far. Data had to be aggregated to describe the relationship between mobility and dwelling units properties. Montreal's Origin-Destination travel survey does not include questions about the household housing context. National census aggregated data remains the only database widely available to researchers that describes dwelling unit properties.