identifier: Vazquez Romaguera, L. (2021). Image-Based Analysis and Modelling of Respiratory Motion Using Deep Learning Techniques  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En Amérique du Nord, les tumeurs primitives du foie et les métastases associées représen-tent la deuxième cause de mortalité liée au cancer, causant plus de 600 000 décès chaque année. Pour les patients dans les stades intermédiaires et avancés, la radiothérapie externe est souvent utilisée pour traiter et contrôler la progression de la maladie. Son objectif est de fournir suffisamment d'irradiation aux cellules cancéreuses afin d'endommager le matériel génétique de celles-ci. Par conséquent, lors de l'administration de la dose, l'objectif est d'obtenir une cible presque statique dans le champ de vision du faisceau lorsque celui-ci est actif. Cependant, le mouvement des organes respiratoires est un facteur de complication dans le traitement des tumeurs. Par conséquent, la localisation précise de la cible est l'un des principaux défis au cours de la procédure. Pour garantir une dose précise, des stratégies de gestion de la respiration sont utilisées afin d'optimiser l'administration du rayonnement au site tumoral. À cet égard, la proposition de nouvelles méthodes pour imager le mouve-ment de l'organe en respiration libre permettra d'évaluer quantitativement les déformations induites par la respiration. Bien que l'imagerie 3D soit possible, les temps d'acquisition et de traitement ne sont pas compatibles avec le suivi en temps réel. Pour cette raison, les approches permettant d'obtenir de l'information volumétrique à partir de coupes 2D sont considérées comme des solutions potentielles pour améliorer l'efficacité du traitement. De plus, pour ajuster la dose conforme, il est nécessaire de prédire la trajectoire du mouvement de la cible afin de compenser les latences du système. Les développements technologiques récents ont permis la livraison simultanée de faisceaux d'irradiation et l'acquisition d'images. Les images acquises en temps réel permettent une surveillance de la cible dans le plan imagé. Elles représentent également des signaux substituts internes, ce qui les rend compatibles avec des modèles de mouvement. L'objectif de cette thèse est de fournir un ensemble d'outils pour analyser et modéliser le mouvement respiratoire sur la base d'images généralement acquises par le flux de travail clin-ique. La méthodologie adoptée a conduit à répondre à trois objectifs de recherche spécifiques. Le premier objectif vise à développer une méthodologie de réordonnancement automatique de tranches pour reconstruire des volumes 4D à partir d'images IRM sans navigateur. Le sec-ond cherche à trouver de nouvelles solutions pour tirer parti de l'intelligence artificielle pour la tâche de modélisation du mouvement. Le dernier objectif vise à concevoir un prédicteur temporel basé sur l'image qui peut être intégré aux modèles de mouvement pour permettre la génération de volumes à l'avance. La première contribution vise plus particulièrement la reconstruction automatique de volumes IRM en 4D à partir d'acquisitions cinématiques multicoupes sans navigateur. Le processus de triage des tranches pour conformer les volumes temporels est une tâche complexe. C'est encore plus difficile lorsque les signaux du navigateur ne sont pas disponibles. Nous proposons une méthodologie pour dériver des signaux pseudo-navigateurs à partir des séries dynamiques acquises à chaque position de coupe anatomique. Elle repose principalement sur le recalage d'images déformable. Par la suite, un signal unidimensionnel est dérivé d'une analyse statis-tique de la composante principale du mouvement. Ce signal respiratoire est ensuite traité pour identifier automatiquement un point temporel correspondant à l'état de fin d'expiration. De plus, nous avons conçu une approche basée sur des graphes pour l'empilement de tranches où les images 2D représentent les sommets. Les arêtes des graphes sont pondérées selon des mesures de similarité basées à la fois sur les informations de pixel et du mouvement. La détection automatique du temps de fin d'expiration et l'extraction automatique du pseudo-navigateur permettent à la méthode d'opérer sur des données à haute résolution spatiale et temporelle qui capturent plusieurs cycles respiratoires, permettant des études de variabil-ité inter-cycles. Les mesures quantitatives et qualitatives montrent une meilleure cohérence spatio-temporelle avec la méthode proposée. Comparée à des techniques similaires, qui sup-posent un schéma respiratoire régulier, notre méthode est capable de faire face à la respiration irrégulière et aux courtes apnées chez les sujets. La deuxième contribution vise à proposer des solutions basées sur l'apprentissage profond pour la modélisation du mouvement respiratoire d'un point de vue à la fois déterministe et probabiliste. Les deux approches reposent sur la réduction de dimensionnalité pour associer des observations partielles à des déformations de grande dimension. Plus précisément, nous proposons l'auto-encodage convolutif comme base pour effectuer la tâche de modélisation. Le premier modèle développé associe les images substituts aux déformations de dimension réduite en minimisant la distance L2 entre les deux représentations latentes. En revanche, le second modèle utilise les images afin de conditionner une distribution probabiliste sur les dé-formations à chaque phase respiratoire. Les orientations sagittale et coronale ont été explorées dans nos expériences. Contrairement aux modèles de mouvement statistiques traditionnels, qui nécessitent de trouver des correspondances entre les sujets, nos méthodes exploitent la forte capacité de généralisation des réseaux profonds pour identifier ces correspondances dans un ensemble de données d'une population. Par conséquent, ces travaux présentent un nou-veau paradigme pour aborder la tâche de modélisation du mouvement respiratoire. De plus, ils offrent des avantages en termes d'interprétation et de personnalisation des modèles. Nos études révèlent que, quelle que soit la modalité d'imagerie, dans l'espace latent, les don-nées sont regroupées en fonction de leur position dans le cycle respiratoire. D'autre part, les modèles peuvent être facilement personnalisés à de nouveaux sujets en ajustant leurs paramètres. Fait important, étant donné que le temps d'inférence est de l'ordre de quelques millisecondes, ces modèles sont applicables en temps réel. L'analyse expérimentale sur des ensembles de données réels a montré que le modèle peut être appliqué sur des sujets ex-clus de l'ensemble de données d'entraînement, offrant une précision cliniquement pertinente. L'approche déterministe permet un suivi de cible en 3D à partir de tranches en 2D avec des erreurs moyennes de 2.4 mm et 5.2 mm pour des cas tests d'ensembles de données IRM et US, tandis que la variante probabiliste du modèle a obtenu une erreur moyenne de 1.67 mm et 2.17 mm dans ces mêmes ensembles de données. Enfin, la troisième contribution propose des mécanismes prédictifs temporels pour la représen-tation et la génération d'images futures. Cette étape est fondamentale pour une administra-tion et une planification précise de la dose. Cependant, elle n'est pas exempte d'obstacles tels que la prédiction à partir de dynamiques limitées ainsi que la grande dimensionnalité inhérente aux déformations complexes. Le premier modèle développé exploite les représen-tations de caractéristiques à plusieurs échelles et apprend à les extrapoler dans le temps à l'aide de couches récurrentes convolutives. Contrairement aux approches connexes qui ten-tent de régresser les valeurs dans le domaine des pixels, nous tirons parti des transformations spatiales pour relever ce défi et éviter la synthèse directe de pixel. Ce modèle est capable de prédire les positions des vaisseaux sanguins dans la prochaine image temporelle avec une précision médiane (écart interquartile) de 0.45(0.55) mm, 0.45(0.74) mm et 0.28(0.58) mm dans les ensembles de données IRM, US et CT, respectivement. Dans cette même avenue de recherche, nous étudions également les structures d'attention de produits scalaires à têtes multiples, qui ont été initialement proposées pour le traitement du langage naturel. Ces modèles projettent linéairement l'entrée sur un ensemble de vecteurs, à savoir des requêtes, des clés et des valeurs. Contrairement à la structure originale, qui utilise le langage cible comme requêtes dans la partie décodante, nous proposons de prédire la future représentation à partir d'une séquence d'images en apprenant les requêtes. De plus, nous exploitons les images futures, disponibles lors de l'entraînement du modèle, pour cal-culer une distribution à priori. Cette connaissance préalable agit comme régularisateur pour l'apprentissage des requêtes. La méthode proposée est capable de prédire les déformations futures avec une erreur géométrique moyenne de 1.2 ± 0.7 mm dans l'ensemble de données IRM. De plus, nous introduisons une nouvelle approche pour améliorer le suivi local. Étant donné que les méthodes de détection locales sont généralement plus précises que les prédictions de déformations denses globales, nous proposons de tirer parti des modèles de mouvement précédemment développés pour raffiner les champs de déformation à l'intérieur d'une région d'intérêt présélectionnée autour de la cible. Cela signifie qu'au lieu de compter uniquement sur le champ de déformation global, nous l'utilisons pour améliorer le suivi de la cible locale. De plus, nous utilisons les codes latents du modèle de mouvement pour créer une carte d'attention sur les champs de déformation grossiers. Ce module de suivi est indépendant du modèle de mouvement et du prédicteur temporel. Les résultats expérimentaux révèlent qu'il peut réduire l'erreur du modèle de mouvement d'environ 63%. Ce projet de recherche nous a permis d'étudier l'utilisation des réseaux de neurones profonds pour la modélisation des déformations de grande dimension dans un espace latent et de les relier à des observations partielles. De plus, il a introduit le premier modèle basé sur une pop-ulation de sujets utilisant des réseaux génératifs profonds appliqués au suivi des mouvements respiratoires. Cette recherche a démontré que les modèles proposés peuvent également être personnalisés, les rendant plus adaptés aux caractéristiques uniques du patient. En résumé, cet ensemble de méthodes de compensation de mouvement devrait avoir un impact sur la prochaine génération d'appareils de radiothérapie guidée par l'image et devenir un élément important pour l'optimisation du traitement.  ABSTRACT: In North America, primary liver tumor and associated metastasis represent the second most common cause of cancer-related mortality, causing more than 600,000 deaths each year. For both intermediate and late stages, external beam radiotherapy is often used to treat and control disease progression. Its goal is to deliver enough radiation to damage the genetic ma-terial of cancerous cells. Therefore, during dose delivery, the aim is to obtain a possibly static target in the beam's eye view whenever the beam is on. However, respiratory organ motion is a complicating factor in tumour treatment. Consequently, accurate target localization is one of the main challenges during the procedure. To ensure an accurate dose, respiration management strategies are required to optimize the radiation delivery to the tumor site. In this respect, proposing new methods for imaging the temporal dynamic of the organ during free-breathing will allow the quantitative assessment of respiratory-induced deformations. Although 3D imaging is possible, the acquisition and processing times are not compatible with real-time monitoring. For this reason, approaches to obtain volumetric information from 2D slices are considered potential solutions for improving the treatment efficiency. Furthermore, to adjust the conformal dose, it is necessary to predict the target motion trajectory in advance in order to compensate for the system latencies. Recent technological developments have enabled simultaneous beam delivery and image acquisition. The real-time image acquisitions allow for in-plane target monitoring. At the same time, they act as internal surrogates, making them suitable to drive motion models. The focus of this thesis is to provide a set of tools for analyzing and modelling the respiratory motion on the basis of images that are typically collected through the clinical workflow. The adopted methodology led to addressing three specific research objectives. The first objective is aimed at developing an automatic slice reordering methodology to construct 4D volumes from navigator-less MR images. The second one seeks to find novel solutions to leverage artificial intelligence for the motion modelling task. The last objective is aimed at designing an image-based temporal predictor that can be integrated into the motion models to enable future volume generation. The first contribution aims more specifically at automatic 4D MR volume construction from navigator-less multi-slice cine acquisitions. The slice sorting process to build temporal vol-umes is a challenging task. It is even more difficult if navigator signals are not available. We propose a methodology to derive pseudo navigator signals from the dynamic series acquired at each anatomical slice position. It relies primarily on deformable image registration. Sub-sequently, a uni-dimensional signal is derived from a statistical analysis of the main motion component. This respiratory signal is then processed to automatically identify a time point corresponding to the end-exhale state. Furthermore, we designed a graph-based approach for slice stacking where 2D images represent the vertices. The edges of the graphs are weighted according to similarity measures based on both pixel and motion information. The auto-matic end-exhale time detection and the automatic pseudo navigator extraction allow the method to work on high spatial and temporal resolution data that capture several respiratory cycles, enabling inter-cycle variability studies. Both quantitative and qualitative measures show improved spatiotemporal consistency with the proposed method. Compared to similar techniques, which assume a regular respiratory pattern, our method is able to cope with irregular breathing and small apneas of the volunteers. The second contribution intends to establish deep learning-based solutions for respiratory mo-tion modelling from both deterministic and probabilistic points of view. Both approaches rely on dimensionality reduction to associate partial observations with high-dimensional deforma-tions. Specifically, we propose convolutional autoencoding as a backbone for the modeling task. The first developed model associates the surrogate images to the low dimensional defor-mations by minimizing the L2 distance between both latent representations. In contrast, the second model uses the images to condition a probabilistic distribution over the defor-mations at each respiratory phase. Sagittal and coronal orientations were explored in our experiments. Unlike traditional statistical motion models, which require finding inter-subject correspondences, our methods exploit the strong generalization capability of deep networks to find patterns across a population dataset. Hence, these works present a novel paradigm to approach the respiratory motion modelling task. Additionally, they offer other advantages in terms of model interpretability and personalization. Our studies reveal that, regardless of the imaging modality, data points in the latent space are clustered according to their position within the respiratory cycle. On the other hand, the models can be easily personalized to new subjects by fine-tuning their weights once created. Importantly, since the inference time is on the order of a few milliseconds, these models are real-time applicable. Experimental analysis on real datasets showed that the model can be applied on unseen subjects to yield a clinically relevant accuracy. The deterministic approach enables 3D target tracking from single-view slices with mean landmark errors of 2.4 mm and 5.2 mm in unseen cases of MRI and US datasets, while the probabilistic variant obtained a mean error of 1.67 mm and 2.17 mm in these datasets. Finally, the third contribution proposes temporal predictive mechanisms for future image representation and frame generation. This step is fundamental for accurate dose delivery and planning. However, it is not exempt from hurdles, such as the prediction from limited dynamics and the high-dimensionality inherent to complex deformations. The first developed model leverages feature representations at multiple scales and learns to extrapolate them through time using convolutional recurrent layers. In contrast to related approaches, which attempt to regress values in the pixel domain, we leverage spatial transformations to tackle this challenge and avoid direct pixel synthesis. This model is able to predict vessel positions in the next temporal image with a median accuracy (interquartile range) of 0.45(0.55) mm, 0.45(0.74) mm and 0.28(0.58) mm in MRI, US and CT datasets, respectively. In this same research line, we also investigate multi-head dot-product attention structures, which were originally proposed for natural language processing. These models linearly project the input to a set of vectors, namely, queries, keys and values. Unlike the original structure, which uses the target language as queries in the decoding part, we propose to predict future representation from an image sequence by learning the queries. Furthermore, we leverage future frames, available during model training, to compute a prior distribution. This prior knowledge acts as a regularizer for learning the queries. The proposed method is able to predict future deformations with a mean geometrical error of 1.2 ± 0.7 mm in the MRI dataset. Additionally, we introduce a novel approach to improve local tracking. Since local detection methods are generally more accurate than global dense deformation predictions, we propose to leverage the previously developed motion models to refine the deformation fields over a pre-selected region of interest around the target. This means that, instead of relying solely on the global DVF, we use it to enhance the local target tracking. Besides, we use the latent codes of the motion model to compute an attention map over the coarse deformation fields. This tracking module is agnostic to the motion model and the temporal predictor. Experimental results reveal that it can reduce the motion model error by approximately 63%. This research project enabled us to investigate whether deep neural networks would be a feasible option to model high-dimensional deformations in a latent space and to relate them to partial observations. Moreover, it introduced the first population-based model using deep generative networks applied to respiratory motion tracking. This research demonstrated that the proposed models could also be personalized, making them better suited to the patient's characteristics. In summary, this set of motion compensation methods is expected to impact the next generation of image-guided radiotherapy and become an important component for treatment optimization.


identifier: Abouelmakarim, A. (2021). Évaluation de l'occurrence de Legionella pneumophila en présence de concentrations élevées de métaux et de particules dans les réseaux de distribution  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Legionella pneumophila est la première cause de maladies hydriques aux États-Unis. La présence de la bactérie est dûment documentée dans les réseaux d'eau chaude, en particulier dans les grands bâtiments. Néanmoins, des éclosions ont été causées suite à sa prolifération dans les réseaux de distribution d'eau potable. En 2014, une éclosion à Flint, MI a causé la mort de 12 personnes. La croissance de la bactérie a été liée à un évènement d'eau rouge caractérisé par une augmentation de la concentration en métaux et en particules et une baisse de la concentration de chlore résiduel. L'objectif principal de ce projet de recherche est de quantifier la présence des indicateurs microbiens et de Legionella pneumophila dans les réseaux de distribution d'eau potable en présence de concentrations élevées en métaux lors d'évènement d'eau rouge afin de déterminer les conditions favorisant leur prolifération. Des campagnes d'échantillonnage ont été effectuées en deux temps dans 5 réseaux de distribution d'eau potable du Québec. Dans un premier temps, l'échantillonnage des bornes fontaines dans des secteurs connaissant des évènements d'eau rouge a permis de déterminer la prévalence de L.pneumophila dans les extrémités de ces réseaux, en présence de grandes concentrations de particules et de métaux. Dans un second temps, des campagnes d'échantillonnage de grands volumes d'eau en sortie d'usine puis dans des bâtiments ont été réalisées en hiver puis en été. En plus de l'échantillon prélevé en sortie d'usine, trois types d'échantillons étaient prélevés à un robinet des bâtiments ciblés : eau froide au premier jet, eau froide rincée 5 min et eau chaude au premier jet.» et  ABSTRACT: Legionella pneumophila is the leading cause of waterborne diseases in the United States. In 2014, an outbreak of Legionnaire's disease in Flint, MI caused the death of 12 people. The proliferation of the bacteria has been linked to the change in the city's water source which caused a red water event, characterized by an increase in the concentration of metals and particles and a decrease in the concentration of residual chlorine. The main objective of this research project was to quantify the presence of microbial indicators and Legionella pneumophila in drinking water distribution systems susceptible to red water issues in order to determine the conditions favoring their proliferation. To achieve the objective, a sampling campaign was designed in two parts, across 5 drinking water distribution systems in Quebec. In the first part, water hydrants were sampled in areas where red water events were frequently reported, in order to determine the prevalence of L. pneumophila in dead-ends, in the presence of high concentrations of particles and high metal concentrations. In the second part, sampling was carried out in winter and in summer. Samples were collected at the water treatment plant and in buildings, where three types of samples were collected from a faucet: cold water at first draw, cold water after a 5-min flush and hot water at first draw. The samples were then concentrated using Hemoflow ultra-filtration. The concentration reduced the detection limits of bacteria quantification methods to 0.01 MPN/100ml without inhibiting their growth. These sampling campaigns aimed to compare the water quality according to the sample type, the network and the season.


identifier: Chouchane, K. (2021). Impact of Vibratory Peening on The Surface Integrity of Cemented Steel E16NCD13  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le grenaillage vibratoire est un procédé alternatif qui vise à remplacer les procédés de grenail- lage conventionnel et finition vibratoire. Il produit des contraintes résiduelles de compression comparables à celles obtenues par grenaillage coventionnel, mais avec un meilleur fini de surface, ce qui est censé améliorer la résistance à la fatigue de la pièce traitée. On pense également qu'elle améliore la productivité industrielle en combinant les étapes de grenaillage conventionnel et de finition vibratoire en un seul procédé. Bien qu'il existe des études sur ce procédé, aucun travail fondamental et physique présentant l'amélioration des propriétés générées n'a été présenté. Cette étude fait partie d'un projet visant à démontrer les effets bénéfiques des technolo- gies avancées de traitement de surface sur certains matériaux aérospatiaux qui était une collaboration entre Polytechnique Montréal, Safran Tech France et le Centre aérospatial et technologique de Longueuil (CTA). Ce travail a porté sur le calibration de la machine de grenaillage vibratoire et l'identification des limites de ses paramètres. Il comprend également l'étude de l'effet du grenaillage vibratoire sur les propriétés d'intégrité de surface de l'acier cémenté E16NCD13 en termes de rugosité de surface, de contraintes résiduelles de compres- sion et de microdureté. Les modifications de l'intégrité de surface produites par le grenaillage vibratoire ont été comparées au grenaillage coventionnel à des intensités Almen similaires. La revue de la littérature a montré que l'intensité Almen, le temps de traitement, l'amplitude, la fréquence, le poids des billes et la position de la pièce, etc. sont les paramètres clés du procédé de grenaillage vibratoire. La première partie de cette étude a présenté la relation entre les paramètres de la machine, tels que : le poids des billes, les masses excentriques, la fréquence, la pression, la hauteur des billes au-dessus de la pièce, la position de la pièce et le taux de lubrification avec l'amplitude de vibration de la machine et l'intensité Almen à l'aide de techniques de plans d'expériences. Les résultats ont montré que l'amplitude de vibration de la machine est principalement contrôlée par les masses excentriques sur les ar- bres rotatifs, la fréquence de rotation des arbres rotatifs, la hauteur des billes au-dessus de la pièce, et l'intensité Almen est principalement influencée par les les masses excentriques. Les résultats de plans d'expériences ont montré que la machine de grenaillage vibratoire est capable de générer des intensités Almen comprises entre 0.047 et 0.2 mmA.  ABSTRACT: Vibratory peening is an alternative process that aims to replace the shot peening and the vibratory finishing processes. It produces compressive residual stresses comparable to those obtained by shot peening but with much better surface finish, which is believed to enhance the fatigue life of the treated part. It is also believed to improve the industrial productiv- ity by combining the shot peening and the vibratory finishing steps into one single process. Athough there are available studies on this process, no fundamental and physical works pre- senting the generated properties improvement were presented. This study is part of a project that aims to demonstrate the beneficial effects of advanced surface treatment technologies on some aerospace materials which was a collaboration be- tween Polytechnique Montréal, Safran Tech France and Aerospace and Technology Center Longueuil (CTA). This work focused on calibrating the vibratory peening machine and iden- tifying its operation parameters limits. It involves also the study of the effect of vibratory peening on the surface integrity properties of the cemented steel E16NCD13 in terms of surface roughness, compressive residual stresses and microhardness. The surface integrity modifications produced by vibratory peening were compared to shot peening at similar Al- men intensities. The literature review showed that the Almen intensity, the processing time, the amplitude, the frequency, the media mass and the part position, etc. are the key parameters of the vibratory peening process. The first part of this study presented the relationship of the operation parameters, such as: media mass, eccentric weights, frequency, pressure, media height above the part, part position and lubrication rate with the amplitude of the vibratory peening machine and Almen intensity through design of experiments (DOE) techniques. The results showed that the vibration amplitude of the machine is mainly controlled by the eccen- tric weights on the rotating shafts, the rotational frequency of the rotating shafts, the media height above the part, and the Almen intensity is mainly influenced by the eccentric weights. The DOE results showed that the vibratory peening machine is able to generate Almen in- tensities ranged between 0.047 and 0.2 mmA. The second part presented the characterization of the surface integrity of the cemented steel E16NCD13 after vibratory peening in terms of surface roughness, compressive residual stresses and microhardness. They were measured and evaluated after treatment under three different intensities (0.1, 0.15 and 0.2 mmA) and different process conditions.


identifier: Berthet, L. (2021). Mode Split Prediction for Rotating Disks with Flexible Stator Coupling  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: D'après le dernier rapport du Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC), la température planétaire a augmenté de 1.1°C depuis l'ère pré-industrielle, alors qu'il faudrait ne pas dépasser le seuil de 1.5°C pour éviter des conséquences irréversibles du dérèglement climatique. Pour cela, d'importantes réductions des émissions de gaz à effet de serre sont nécessaires, notamment dans le domaine de la production d'énergie. Les énergies fossiles sont remplacées par celles renouvelables, qui, étant intermittentes, doivent être compensées par l'hydroélectricité. Cela augmente la durée du fonctionnement transitoire des turbines, dont les nouvelles conditions d'opération doivent être prises en compte lors de leur conception. Cela se fait au travers de l'étude des phénomènes en jeu dans celles-ci et de leur comportement dynamique. Les roues hydrauliques, et notamment celles de haut débit ou fonctionnant aussi comme pompes, qui sont et seront les plus utilisées, sont soumises à de multiples sources d'excitation complexes, qu'il faut quantifier et qualifier. A l'inverse de l'Interaction Rotor-Stator (IRS) qui a été décrite et analysée, le phénomène de séparation des modes est mal connu et nécessite d'être étudié. Il se produit lorsque la roue tourne dans l'eau, et couplé à la masse ajoutée de cette dernière, introduit une séparation, ainsi qu'une dérive, de ses fréquences naturelles, associées aux vagues co et contre-rotative qui la parcourent pour différentes vitesses de rotation. Lors de l'étude du comportement dynamique de roues, employer la géométrie réelle au sein de simulations numériques requiert d'importantes ressources informatiques et durées de temps, alors qu'il est tout simplement impossible de le faire analytiquement. Ainsi, un modèle simplifié qui présente les mêmes caractéristiques dynamiques est nécessaire, et cela est le cas pour les disques, qui ont des modes de vibration similaires à ceux du rotor et du stator pour des basses fréquences. La séparation de modes pour un disque tournant dans un fluide dense a été analysé et expliqué par le passé expérimentalement, numériquement et analytiquement. Or, il s'avère que le stator se trouvant au-dessus de la roue est flexible comme il possède également une faible épaisseur. Dès lors que le rotor vibre et influence le fluide environnant, le stator est donc aussi impacté et participe au comportement dynamique globale de la structure. Ainsi, il est nécessaire de qualifier l'impact de ce couplage et la séparation de modes en présence d'un stator déformable. Pour cela, on développe dans ce projet deux modèle analytique et numérique de disques rotatif et stationnaire couplés par le fluide, pour étudier l'influence de leur interaction sur la séparation des modes. Dans un premier temps, on applique au fluide la théorie des écoulements potentiels, en le considérant irrotationnel, non-visqueux et incompressible. On suppose également que les disques observent des formes de modes similaires dans l'eau et le vide.  ABSTRACT: High-head turbine runners are subject to multiple sources of excitations, e.g., Rotor-Stator Interaction (RSI) or trailing-edge vortices. Coupled with the added mass of water, rotation induces a mode split in the natural frequencies of runners, where co-rotating and counter- rotating waves travel through the runner at different relative speeds. Disks, by displaying a similar behavior, can be used as a simpler model. Mode split is characterized for a rotating disk in dense fluid but, in high-head turbines, the runner and the compliant confinement are coupled through the axial gap fluid. In this project, we develop an analytical model of coupled stationary and rotating disks to analyze the effect of their interaction on the mode split phenomenon. First, we apply the potential flow theory, considering the fluid as irrotational, inviscid and incompressible. We assume that the modeshapes of the disk in a dense fluid are similar to their shapes in vacuo. Based on these assumed modeshapes of the stationary and rotating disks, we derive the potential flows that respect the no-penetration boundary conditions. One after the other, each disk is considered flexible while the other one is rigid. By applying the superposition principle, we then couple the two obtained fluid flows through the structural equations of motion. An acoustic-structural modal analysis was developed in collaboration with Blais (2021) to verify the analytical model and propose a fast numerical tool for hydraulic turbine design. Despite the inviscid flow assumption, the derived models display less than 3% error with experimental data for large axial gaps and rotors thicker than stators. They predict the dynamic behavior of disks coupled through fluid for different configurations, offering an alternative to computationally expensive simulations. Additionally, they provide a better understanding of the mode split phenomenon in a rotor- stator system, by qualifying the influence of the stator component on the overall structure performance for turbine design.


identifier: Granier, F. (2021). Fabrication additive multi-matériaux et procédés de dispositifs piézoélectriques pour la création de structures intelligentes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'intégration de plusieurs matériaux à une unique plateforme de fabrication additive et l'utilisation de matériaux dits « intelligents » est aujourd'hui au centre de l'attention de nombreux groupes de recherche mais le domaine n'en est qu'à ses débuts. La particularité des matériaux piézoélectriques est qu'ils sont capables de générer des charges électriques lorsqu'ils subissent une déformation. Cette propriété les rend particulièrement adaptés à la fabrication de capteurs, d'actionneurs et de dispositifs de captage d'énergie. Dans ce travail, nous avons étudié trois voies permettant la fabrication additive multi-matériaux de capteurs et dispositifs de captage d'énergie piézoélectriques de géométries variées. Dans un premier temps, un procédé de fabrication additive bi-matériaux par FFF (Fuse Filament Fabrication) a été utilisé pour fabriquer quatre types de capteurs à partir d'un composite de Titanozirconate de plomb (PZT) et polyuréthane thermoplastique (TPU) et d'un filament conducteur disponible commercialement. Les performances des différents capteurs en impact et en compression étaient ensuite comparées. La structure en treillis d'octets et la structure cubique centrée, caractérisées par un rapport tension de sortie/masse du capteur de 202,22 mV/g et 222,84 mV/g, respectivement et un ratio tension de sortie/contrainte appliquée égal à 0,91 mV/N et 0,87 mV/N se sont avérées être les plus performantes. Aussi, nous avons démontré la possibilité de fabriquer des capteurs piézoélectriques par fabrication additive bi-matériaux. Cependant, la méthode utilisée nous contraignait dans la géométrie des structures pouvant être fabriquées. Dans un second temps, nous avons considéré une plateforme de fabrication additive multimatériaux et multi-procédés (FFF et DIW- Direct Ink Writing) permettant la fabrication de dispositifs de captage d'énergie planaires et non planaires. Deux composites, un conducteur et un piézoélectrique, ont été élaborés par intégration de particules d'argent et de BaTiO3, respectivement à une matrice de TPU et ont été utilisés comme encres dans le procédé de DIW. De l'acide polylactique (PLA) était utilisé pour fabriquer le support des dispositifs par FFF. Les dispositifs ainsi fabriqués pouvaient générer un courant et une tension de sortie maximaux de 35 nA et 16 Vpp, respectivement. De plus, ils étaient capables de charger un condensateur de 100 µF à 3 mV en une dizaine de secondes. Nous avons donc démontré la possibilité de fabriquer des dispositifs de captage d'énergie piézoélectriques.  ABSTRACT: Today, the use of several materials, including smart materials, in a single AM platform is the focus of attention of a number of research groups but the field is still at an early stage. The key feature of piezoelectric materials is their ability to generate electric charges when subjected to mechanical deformation. This property makes them perfect candidates for the manufacture of sensors, actuators and energy harvesting devices. Therefore, in this work, we have explored three ways to fabricate sensors and energy harvesters through the use of multi-materials AM processes. Firstly, we developed and used a bi-materials FFF (Fuse Filament Fabrication) process to fabricate four types of sensors from a piezoelectric composite made of lead zirconate titanate (PZT) and thermoplastic polyurethane (TPU) and a commercially available conductive TPU filament. The performance of the different sensors was assessed and compared through impact and compression tests. The octet truss and the body centered cubic structures exhibited the best results with an output tension/weight ratio of 202.22 mV/g and 222.84 mV/g, respectively and an output tension/applied force of 0.91 mV/N and 0.87 mV/N, respectively. Thus, we were able to demonstrate the fabrication of piezoelectric sensors using a bi-materials AM platform. However, the method we used imposed us to fabricate planar structures only. Second lu, we developed a multi-material, multi-process (FFF and DIW-Direct Ink Writing) AM platform and used it to fabricate planar and non-planar energy harvesting devices. A piezoelectric and a conductive composite were prepared by dispersing BaTiO3 and silver particles, respectively, in a TPU matrix. These materials were used as DIW inks. Polylactic acid was used to print the substrate of each device using FFF. The final energy harvesters were able to generate a 35 nA output current and a 16 Vpp voltage. Moreover, they were able to charge a 100 µF at 3 mV capacitor in about 10 s. Thus, we were able to demonstrate the functionality of the multi-material, multiprocess platform we developed. However, the performances of the structures we fabricated should be tailored to specific working modes. Moreover, the platform we used limited us in the geometry of the devices we could fabricate – freeform structures could not be made. Finally, in the last part of this work, we developed a bi-material DWI process in a supporting bath and used it to manufacture fully flexible piezoelectric sensors.


identifier: Wang, D. (2021). Synthesized Waveguide Technology for Ultra-Broadband Signal Transmission  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les signaux électromagnétiques à très large bande (dc-à-ondes millimétriques ou dc-à-térahertz) sont essentiels pour de nombreuses applications telles que l'imagerie, la détection, la sécurité, les communications à haute capacité, les interconnexions à grande vitesse, les mesures dans le domaine temporel et les traitements biologiques avancés. Ceci a suscité un intérêt et une attention particulière concernant le problème technique fondamental, à savoir la transmission de signaux ultra-large bande [au niveau de la picoseconde (ps)] avec une intégrité du signal très élevée, ce qui nécessite une structure de guide d'ondes assez particulière à très faibles pertes, faible dispersion, et avec une transmission qui laisse tout passer (tout-passe). A notre connaissance, ce type de support de transmission n'existe pas encore du moins en pratique ; tous les supports conventionnels souffrent généralement des effets indésirables tels que des pertes et/ou de la dispersion liées à la coupure basse fréquence (passe-haut) et/ou à l'atténuation haute fréquence (passe-bas), sans oublier de mentionner la bande passante monomode habituellement limitée avec référence aux modes d'ordre supérieur. Bien que des efforts importants aient été faits pour explorer des supports de transmission à haute performance au cours des dernières décennies, ils sont souvent des améliorations incrémentales des structures conventionnelles. Afin de remédier et ainsi apporter une contribution à cette situation, le concept de ligne de transmission sélective de mode (MSTL) a récemment été proposé. Elle fonctionne sélectivement dans un mode dominant souhaité à différentes fréquences ou sur différentes gammes de fréquences (la sélectivité de mode dépendante de la fréquence). Cette propriété unique offre à MSTL la possibilité de guider efficacement les ondes électromagnétiques ultra-large-bandes avec les propriétés de transmission souhaitées. MSTL peut être considéré comme un système de transmission synthétisé en mode couplé qui diffère largement des lignes de transmission et des guides d'ondes conventionnels. Inspirée par ce concept MSTL, cette recherche vise à étudier et développer des systèmes de guide d'ondes synthétisés pour l'électronique ultrarapide du futur. Cette recherche débute par un traitement des guides d'ondes intégrés au substrat (SIW) demi-mondes couplés. En tant que système de guide d'ondes simple, son comportement modal est d'abord examiné, et ensuite ses applications pratiques dans la conception de balun sont explorées.  ABSTRACT: Ultra-broadband (dc-to-millimeter-wave or dc-to-terahertz) electromagnetic signals are instrumental for many applications such as imaging, sensing, security scanning, high-capacity communications, high-speed interconnects, time-domain measurements, and advanced biological treatments. This fact has drawn extensive interest and attention to the underlying fundamental but critical issue, namely ultra-broadband ultrafast signal transmission with picosecond (ps)-level high signal integrity, which requires a waveguiding structure in support of low-loss, low-dispersion, and all-pass transmission. To our knowledge, this type of transmission medium does not exist in practice yet; all conventional ones generally suffer from the prohibited effects of loss and/or dispersion in connection with low-frequency cutoff (high-pass) and/or high-frequency attenuation (low-pass), needless to mention usually limited mono-mode bandwidth with reference to high-order modes. Although significant efforts have been made for exploring high-performance transmission media over the past decades, they are often concerned with incremental or limited improvements in conventional structures. To remedy this situation, the concept of mode-selective transmission line (MSTL) has recently been proposed, which is set to selectively operate in a desired dominant mode at different frequencies or over different frequency ranges, namely frequency-dependent mode selectivity. This unique property offers MSTL the possibility of efficiently guiding ultra-broadband electromagnetic waves with desired transmission properties. MSTL can be viewed as a synthesized coupled-mode transmission system that differs greatly from common transmission lines and waveguides. Inspired by this MSTL concept, this research aims to investigate and develop promising synthesized waveguiding systems for ultrafast electronics. This research begins with a treatment of coupled half-mode substrate-integrated waveguides (SIWs). As a simple waveguiding system, its modal behavior is first examined, and its practical applications in balun design are then explored. A compact wideband balun is presented, operating at microwave and millimeter-wave frequencies with superior in-band performance in terms of bandwidth, loss, as well as amplitude and phase imbalances. This study provides a helpful intuitive concept for understanding the properties of a coupled transmission system. We then turn our attention to some basic properties of MSTL.


identifier: Belqorchi, A. (2021). Mesure rapide de la réponse fréquentielle à l'arrêt "F-SSFR" et saturation empirique des machines synchrones à pôles saillants  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse est une contribution aux récents efforts de détermination des paramètres électriques et d'amélioration de la représentation de la saturation des machines synchrones. La méthode d'essai de réponse fréquentielle à l'arrêt est une réponse adéquate au renforcement de la réglementation sur la détermination des paramètres électriques des alternateurs du réseau. Cependant, la complexité des mesures et de l'analyse des données, le manque de publications sur des machines de puissance ainsi que la durée jugée excessive continuent d'entraver l'adoption de la méthode au sein de la communauté des essais. La présente recherche enrichit la littérature avec quatre expériences de réponse fréquentielle à l'arrêt conduites, selon la norme IEEE-115, sur des machines à pôles saillants de grande puissance. Les machines choisies offrent une variété de conceptions avec rotor à amortisseurs discontinus, continus ou même dépourvue d'amortisseurs. Pour atténuer la contrainte de la durée des mesures, une fonction de transfert non classique est proposée en substitution de deux fonctions recommandées par la norme IEEE. L'adoption de cette fonction de transfert conduit à une réduction encore plus ambitieuse avec l'utilisation d'une nouvelle variante de la méthode de réponse fréquentielle à l'arrêt. La nouvelle approche rapide repose sur un développement théorique simple avec des approximations pratiques et des hypothèses heuristiques dont la validité est confirmée par la précision des paramètres électriques déduits. La technique de mesure rapide et l'analyse conséquente pour l'extraction des paramètres sont systématiques et à la portée du non spécialiste des machines. L'engouement pour améliorer la représentation de la saturation a conduit à l'émergence de nouveaux modèles commerciaux pour les machines synchrones. L'objectif principal étant d'améliorer la précision de simulation du courant de l'inducteur aux régimes permanent et transitoire. Ces efforts ont montré qu'il est prudent de recentrer le développement de nouveaux modèles sur les équations électromagnétiques classiques consenties dans la littérature. La saturation étant un phénomène hautement non linéaire et complexe à représenter, cette thèse a opté pour des méthodes empiriques simples et surtout faciles à intégrer aux modèles des machines synchrones existants. La nouvelle méthode empirique de saturation proposée pour le régime permanent est directement appliquée dans le domaine d-q.  ABSTRACT: This thesis is a contribution to ongoing work on electrical parameters determination and saturation modeling improvements efforts for synchronous machines. Stand-Still Frequency Response test constitutes an appropriate response to the strengthening of regulations related to grid generators parameters determination. However, the complexity of measurements and data analysis, the lack of conclusive publications on large machines as well as the excessive test time duration continue to hamper the adoption of this test within testing community. This research enriches the literature with four Stand-Still Frequency Response tests conducted, according to IEEE-115 standard, on large salient pole machines. The chosen machines offer a variety of designs including rotors with discontinuous, continuous and even without damper windings. To reduce the constraint of excessive time test duration, a non-classical transfer function is proposed to replace two functions recommended by the IEEE standard. Adoption of this proposed transfer function leads to an even more ambitious time reduction with the use of a Fast Stand-Still Frequency Response variant. The new rapid approach is based on a simple theoretical development with practical approximations and heuristic assumptions. The suggested measurements technique and the consequent data analysis for parameters derivation are systematic and easily within the reach of the non-specialist. The main incentive behind emergence of new commercial synchronous machines models is to improve excitation current accuracy at steady-state and transient conditions. One of the important learned lessons is to keep the agreed upon classical electromagnetic equations at the center of any model development. Since saturation is a highly nonlinear and complex phenomenon, this thesis has opted for empirical saturation methods with a focus on simplicity and easiness of integration into existing standardized models. Therefore, a new empirical saturation method, directly applied in d-q domain, is proposed for the steady state regime. In contrast to the empirical methods in phase domain, it is based on a clear and simple reasoning justifying the use of no-load saturation curve for excitation current estimation at load condition. The thesis shows that a simple d-axis stator current re-scaling results in a practical and useful correlation between no-load and on-load d-axis saturation curves.


identifier: Sedaghat, Z. (2021). Detection and Extraction of Adverse Drug Reaction in Social Media Using Deep Learning  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un effet indésirable médicamenteux (EIM) peut être défini comme une réaction sensiblement nocive ou désagréable résultant d'une intervention liée à l'utilisation d'un médicament. D'après les services de santé, les EIM sont à l'origine de nombreuses hospitalisations et, dans certains cas graves, du décès des patients chaque année. En plus d'avoir un impact significatif sur la santé, les EIM ont également des effets économiques néfastes pour les personnes affectées. En raison de tous ces problèmes, la recherche en pharmacovigilance s'est popularisée pour détecter et extraire avec diligence et précision les effets secondaires des médicaments. La pharmacovigilance concerne les activités de surveillance de l'innocuité du médicament dans la phase post-commercialisation du médicament. Les sites de réseautage social comme Twitter ont fourni aux gens une plate-forme pour se connecter les uns aux autres, pour discuter et partager des informations et des nouvelles. L'identification et la collecte de tweets contenant des mentions d'expérience personnelle en matière de santé seraient l'une des sources de données les plus rapides et les plus importantes pour les chercheurs. La détection et l'extraction des mentions de médicaments indésirables dans les tweets peuvent compléter la liste des effets indésirables des médicaments résultant des essais de médicaments et peuvent aider à l'amélioration des médicaments. La détection et l'extraction d'EIM à partir de texte peuvent être considérées comme un problème d'extraction d'informations qui a connu une croissance significative ces dernières années en raison des progrès de l'apprentissage en profondeur et de l'apprentissage par transfert. Ce mémoire vise à étudier les performances de trois modèles différents de BiLSTM (Bidirectionnel Long-Short Term Memory), BERT (Bidirectionnel Encoder Representations from Transformers) et BERT+BiLSTM dans les tâches de détection et d'extraction EIM. Pour former et évaluer ces modèles, un ensemble de données de 2735 tweets qui sont étiquetés manuellement par certains étudiants en pharmacologie est utilisé. Dans l'étape suivante, pour vérifier la possibilité d'obtenir de meilleurs résultats dans la tâche de détection, la tentative consiste à agrandir l'ensemble de données en utilisant certaines techniques d'augmentation proposées avec Easy Data Augmentation (EDA) et back-translation et à former le meilleur modèle par l'ensemble de données augmenté.  ABSTRACT: Adverse drug reaction (ADR) is an unwanted, uncomfortable, or dangerous effect that occurs after prescribing the drug and directly correlates with the drug. ADR occurs during 10 to 20% of hospitalizations, some of which are severe and lead to death [1]. In addition, it is also a substantial financial drain on the bottom line for taxpayers. However, early and accurate detection of ADRs will mitigate and prevent the number of ADR related potential issues. In addition, for detrimental reactions in patients caused by taking drugs, social media conversations may report ADRs more quickly and efficiently than other means. By knowing that, there is a clear need for automated ADR surveillance at the post-marketing phase of drugs. This study aims to use deep learning methods to accurately identify unreported drug side effects in reviews of twitter users. Utilizing a dataset of 2735 tweets manually labeled by some pharmacology students, this research conducts deep learning based and pre-trained transfer learning based approaches as a solution for detecting and extracting ADRs automatically. As a first deep learning approach, we apply Bidirectional Long-Short Term Memory Networks (BiLSTM), units that recurrently compute nonlinear transformations on the dataset. In the next step, we utilize the Bidirectional Encoder Representations from Transformers (BERT) model and different combinations of its encoder layers for ADR extraction. The study's final model is a combination of the best model from the previous BERT experiments, a BiLSTM, and a classifier layer. The experiments have shown that the hybrid BERT+BiLSTM model outperforms all others. In the final step, the eÿciency of some proposed data augmentation techniques along with Easy Data Augmentation (EDA) and back-translation for ADR detection tasks is explored. Ultimately, the experimental results show that using a di˙erent combination of these simple augmentation strategies to enlarge the training dataset boosts the model performance.


identifier: De Sousa Alves, B. (2021). 3-D Time-Domain Finite Element Modeling of Nonlinear Conductive and Ferromagnetic Thin Films  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'application directe de la méthode des éléments finis (FEM) pour modéliser des régions minces est entravée par (i) le rapport largeur/épaisseur très élevé de ces régions qui empêche l'utilisation des mailleurs automatisés, (ii) les caractéristiques non linéaires des matériaux qui empêchent certaines simplifications, et (iii) la nature tridimensionnelle de ces applications qui exige une complète représentation de la géométrie des dispositifs comportant des régions minces. La manière classique de surmonter les difficultés du maillage lors de la modélisation de régions minces est d'appliquer l'approche des coques minces (thin-shell - TS). Cependant, les approches TS avec la FEM actuellement disponibles sont principalement limitées à l'analyse en régime harmonique des régions minces avec des propriétés linéaires en 2-D. Cette thèse de doctorat propose un modèle éléments finis pour les domaines de calcul composés de régions minces pour l'analyse en régime transitoire des dispositifs électromagnétiques tout en prenant en compte les propriétes non-linéaires des matériaux conducteurs et ferromagnétiques en 3-D. Deux approches ont été proposées, mises en œuvre, validées et appliquées pour simuler des problèmes de référence et réalistes en 2-D et en 3-D. Dans une première étape, nous avons défini des fonctions de base hyperboliques dérivées d'un ensemble de solutions harmoniques pour un problème linéaire de la di˙usion de flux 1-D à travers l'épaisseur de la région mince. L'application de ces fonctions de base dans une approche TS nous a permis d'estimer le comportement transitoire des champs magnétique et électrique à l'intérieur de la région mince qui était représentée comme une géométrie de dimension réduite dans le domaine du calcul (une surface en 3-D ou une ligne en 2-D). Le modèle proposé a été appliqué pour estimer le comportement électromagnétique des boucliers planaires dans les régimes harmoniques et transitoires. Avec l'ajout de quelques solutions à haute fréquence aux fonctions de base hyperboliques, l'approche a fourni des résultats en bon accord avec ceux obtenus avec des modèles éléments finis classiques sous une complète et appropriée discrétisation des régions minces (avec différence relative inférieure à 3%), tout en réduisant le nombre total de degrés de liberté d'environ 80% et le temps de calcul d'environ dix fois. L'ensemble des fonctions de base hyperboliques a également été utilisé pour estimer le comportement non linéaire d'un blindage ferromagnétique soumis à une excitation externe.  ABSTRACT: The direct application of the finite element method (FEM) to model thin regions is hampered by (i) the high aspect ratio of such regions that impedes the use of automated mesh generators, (ii) the nonlinear material properties that impedes some simplifications, and (iii) the three-dimensional nature of its applications that requires a complete geometrical representation of devices comprising the thin regions. The classical way to overcome the mesh diÿculties when modeling thin regions is to apply the so-called thin-shell (TS) model. However, currently available finite-element TS models are mainly limited to the time-harmonic analysis of thin regions with linear properties in 2-D. This Ph.D. thesis aimed to propose a rigorous 3-D TS model to the time-transient analysis of EM devices while considering the nonlinearities of both the conductive and ferromagnetic materials. Two new TS models were proposed, implemented, validated, and applied to simulate 2-D and 3-D benchmark and realistic problems. As a first approach, we defined hyperbolic basis functions derived from a set of harmonic solutions for a 1-D linear flux di˙usion problem across the thickness of the thin region. Applying these basis functions in a TS model allowed estimating the time-transient behavior of the electric and magnetic fields inside the thin region that was represented as a reduced dimension geometry in the calculus domain (a surface in 3-D or a line in 2-D). The proposed model was applied to estimate the electromagnetic behavior of planar shields in the time-harmonic and the time-transient regimes. With the addition of a few high-frequency solutions to the hyperbolic basis functions, the approach provided results in good agreement with those obtained with standard finite-element models under a complete and suitable discretization of the thin regions (relative di˙erence of less than 3%), while reducing the total number of degrees of freedom in more 80% and computation time by about ten times. The set of hyperbolic basis functions was also used to estimate the nonlinear behavior of a ferromagnetic shield under external excitation. As a second model, we proposed a virtual discretization across the thickness of the thin regions to deal with the highly nonlinear relationship between the electric field and the current density in high-temperature superconducting (HTS) tapes. These tapes generally comprise a stack of thin films made of conductive and ferromagnetic materials. Given their high current capacity and low AC losses, HTS tapes have gained considerable attention from academia and industry in recent years, and defining an eÿcient and accurate model to estimate their behavior can help mature this technology and the economical operation of devices involving such tapes.


identifier: Masoom, A. (2021). High-Level Programming Methods for the Simulation of Power System Transients  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Modelica est un langage orienté objet conçu pour la modélisation des systèmes cyber-physiques à partir de systèmes d'équations. Le langage permet le développement de bibliothèques de composants facilement composables et réutilisables.  Modelica s'appuie sur une représentation standard qui permet une compréhension commune et précise de modèle. Modelica est entièrement compatible avec l'interface de maquette fonctionnelle (FMI). L'FMI est une norme industrielle qui permet de combiner les modules de code de simulation (FMU) provenant de n'importe quel outil de modélisation. La norme a été largement utilisé pour l'échange de modèles et la cosimulation. La tendance à utiliser Modelica se développe de plus en plus dans la modélisation des systèmes électriques et la normalisation des modèles. Par exemple, il a déjà été utilisé pour unifier les modèles des réseaux électriques dans domaine de phaseur dans le cadre du projet iTesla. Les outils classiques de modélisation en régime transitoires électromagnétiques (EMT), par exemple EMTP®, sont souvent écrits dans des langages impératifs, FORTRAN ou C, ce qui est bien adapté aux calculs numériques avec une architecture fermée, dont le modèle et le solveur sont intégrés. Des tentatives ont également été faites pour développer un outil de modélisation en régime transitoire en utilisant le langage de haut niveau MATLAB. Bien que cette approche élève le niveau d'abstraction, il reste que la modélisation se focalise sur les méthodes numériques. La principale contribution de ce travail est de construire une librairie EMT basée sur Modelica (soi-disant MSEMT) y compris les modèles avancés de machine synchrone, la ligne de transport (les modèles WB et CP), les charges statiques, les modèles non linéaire (l'arc, le parafoudre), etc. D'autre part, la librairie s'utilise dans DynaꞶo (l'environnement hybride Modelica/C++). DynaꞶo est un outil développé par RTE, pour la simulation des phénomènes transitoires. Il permet de bénéficier des avantages de ces deux langages et de contourner les problèmes existants de Modelica en simulation. Préliminairement, les lignes de transport ont été modélisée dans Modelica ; ensuite, le circuit de IEEE 13-bus, y compris des lignes non transposées et des charges déséquilibrées, a été utilisée pour la validation.  Ensuite, les réseaux d'IEEE 118-bus et d'IEEE 39-bus sont utilisés pour vérifier les résultats et comparer les performances de simulation.  ABSTRACT: Modelica is an object-oriented and equation-based language. The advent of high-level languages and their intrinsic features created a new paradigm for modeling and simulation to focus on the equations instead of solutions. Consequently, there is a motivation for employing a modeling environment where the solvers can be selective, and equations representing the model are expressed declaratively and in high-level formalism. Modelica is fully compatible with FMI, a standard widely used for dynamic model exchange and co-simulation via FMU, a combination of XML files, binaries, and C code.  Classical electromagnetic transient (EMT) simulation tools, i.e., EMTP®, are often written in traditional imperative languages, i.e., FORTRAN or C, which is well suited for numeric computations with a closed architecture, whose model and solver are tightly integrated. Although this approach yields a good performance, there are limitations in power electronic and control system modeling. Besides, many code lines are necessary to satisfy requirements from low-level data management. Efforts have also been made to develop an EMT-type simulator using the higher-level MATLAB language in an open-source-code approach. Although this approach elevates the abstraction level, the models must be programmed using given numerical methods. Modelica as a standardized language for modeling physical systems has previously been considered to unify the electric power models in the phasor domain study of electrical grids in the iTesla project. The tendency to use Modelica is increasingly growing in power system modeling and standardization of models. Moreover, the language leads to having a consistent model exchange among EMT-type simulation tools. The main contribution of this proposal is to develop a Modelica-based EMT-detailed library. The library includes advanced linear and nonlinear models such as transmission lines, synchronous generators (including magnetic saturation), static loads, controllers, arc models, surge arresters, etc. The models are constructed according to the EMTP® models and validated with the software one by one. The library is used in DynaꞶo, which is a Modelica/C++ hybrid environment. DynaꞶo helps to benefit from the advantages of both languages and skirting the existing problems of Modelica in time-domain simulation.


identifier: Elbouazzaoui, A. (2021). Utilisation de collecteurs alternatifs aux xanthates pour la désulfuration environnementale des résidus miniers générateurs de drainage minier contaminé (DMC)  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un des défis environnementaux les plus importants pour l'industrie minière est la gestion des risques associés aux rejets miniers. En effet, les résidus miniers produits en grands volumes peuvent présenter des impacts non négligeables sur l'environnement. Dépendamment du contexte géologique des gisements exploités, ces résidus miniers (finement broyés) peuvent contenir des minéraux sulfureux/sulfosels résiduels pouvant entrainer un drainage minier acide ou neutre contaminé sous l'action de l'oxygène en milieu aqueux. Selon la réglementation environnementale en vigueur, les minières doivent gérer ces rejets miniers d'une manière sécuritaire, responsable et surtout respectueuse de l'environnement. Plusieurs approches de gestion de résidus miniers ont été développées afin de prévenir ou minimiser les impacts sur l'environnement. Parmi celles-ci, la gestion intégrée de ces rejets via le concept de la désulfuration environnementale par flottation a été proposée. Elle consiste à retirer la majeure partie des sulfures/sulfosels présents dans ces rejets pour produire un rejet désulfuré et décontaminé (non générateur de DMA/DNC) et un concentré de sulfures plus apte à être géré facilement de par son faible volume. La flottation vise à séparer l'espèce minérale d'intérêt (sulfures et sulfosels) de la gangue (résidu de flottation). Afin de réaliser cette séparation minéralogique, les surfaces doivent être le plus souvent modifiées de façon sélective en utilisant différents collecteurs organiques qui, par adsorption à la surface des particules, les recouvrent d'un film hydrophobe. Les xanthates sont les collecteurs les plus utilisés pour la flottation des sulfures, en général, et pour la désulfuration, en particulier. Tenant compte des préoccupations toxicologiques et écologiques vis-à-vis des xanthates, il est recommandé de trouver des collecteurs alternatifs au moins aussi performants que les xanthates, non problématiques et plus respectueux de l'environnement. Des alternatives aux xanthates, dont les composés à base de dithiophosphates (DTP) et de mercaptobenzothiazole (MBT), sont étudiés comme collecteurs de flottation lors de la désulfuration environnementale. Ce travail vise à examiner les défis de flottation des résidus miniers et a été divisé en deux grandes parties : une partie fondamentale où le minéral de gersdorffite pure (NiAsS, fréquemment présent dans de nombreux résidus de mines d'or et présentant une très grande réactivité) a été caractérisé pour les aspects fondamentaux visant une meilleures connaissance de l'évolution de la physico-chimie de sa surface minérale avant et après la collection (mécanismes d'adsorption) ; la deuxième partie de ce travail est focalisée sur les résidus miniers sulfurés issus de la mine Amaruq (Nunavut, Canada) pour les aspects plus appliqués (à l'échelle laboratoire) et d'optimisation du procédé de désulfuration. L'objectif principal étant d'évaluer l'efficacité du processus de désulfuration des résidus d'Amaruq et sa capacité à rendre les opérations minières plus respectueuses de l'environnement. Durant la partie fondamentale de cette étude, la caractérisation de la physico-chimie de surface a été réalisée en utilisant la spectroscopie infrarouge à transformé de Fourier en mode réflexion diffuse (DRIFT) et la microscopie optique. Les principaux paramètres évalués sont l'impact de l'oxydation (vieillissement), l'effet du pH (naturel et alcalin) en utilisant carbonate de sodium (NaOH) ou le lait de chaux (CaO). Le comportement d'adsorption des collecteurs a été également étudié en utilisant quatre types de collecteurs comme alternatives aux xanthates, principalement à base de dithiophosphates (DTP) et de mercaptobenzothiazole (MBT). L'affinité de ces collecteurs pour la gersdorffite a été étudié par la spectrophotométrie UV-visible et la spectroscopie DRIFT. Le broyage à sec de la gersdorffite génère une couche de particules minces et hétérogènes, principalement composé d'oxydes d'arsenic (arsénite et arséniate) et de sulfates de nickel (NiSO4), avec une faible teneur en soufre élémentaire. Cette couche se forme plus rapidement dans les conditions de pH alcalin qu'aux pH acides ou neutre. Des espèces Ni-hydroxylées (Ni-OH) ont été également observées à des pH alcalins. La surface de la gersdorfitte ainsi conditionnée a ensuite été analysée via la spetroscopie DRIFT. Ceci a pour but de comprendre les mécanismes d'adsorption de ces collecteurs sur ce mineral, en mettant en évidence les espèces superficielles présentes sur la surface minérale. Cette caractérisation a montré que la quantité des espèces superficielles dépendent du pH de conditionnement. Les isothermes d'adsorption construites et les spectres DRIFT montrent et prouvent que les molécules de MBT sont les composés les plus actifs et responsables de l'adsorption des collecteurs à la surface minérale de la gersdorffite. Les résultats de cette étude ont permis de mieux comprendre la chimie de surface de la gersdorffite avant et après l'adsorption des collecteurs, ce qui devrait impacter son comportement de flottation. Le processus de flottation des résidus d'Amaruq a été réalisé en utilisant le collecteur d'Amyl-xanthate de potassium conventionnel (KAX) et trois collecteurs alternatifs à base de mercaptobenzothiazole (MBT) et de dithiophosphate (DTP). La caractérisation minéralogique des résidus d'Amaruq à l'aide de la microscopie automatisée (QEMSCAN) a révélé que les teneurs totales en sulfures et carbonates étaient de 7,93 %wt et de 3,05 %wt, respectivement; 63,39 %wt du soufre se présente sous forme de pyrrhotite, 30,17 % sous forme de pyrite, 3,63% sous forme de gersdorffite et 2,61 % sous forme d'arsénopyrite. Pour comparer l'efficacité d'utilisation de ces collecteurs en flottation, la méthodologie de surface de réponse (Response Surface Methodology) a été utilisée pour la conception statistique, l'analyse et la modélisation des expériences de flottation à l'aide de trois paramètres clés : pH, dosage de l'activant (CuSO4) et dosage du collecteur. Quatre équations quadratiques ont été développées comme modèle pour chaque collecteur afin de calculer la récupération des sulfures (concentré flotté). L'analyse de variance (ANOVA) a révélé que les facteurs qui affectent le plus la récupération des sulfures sont le type/dosage du collecteur et le pH. L'optimisation du procédé a donné une récupération maximale en sulfures de 96,73 % en utilisant 300 g/t de PAX et 300 g/t de CuSO4 et à pH 11. Une récupération quasiment similaire de 95,83 % a été obtenue en utilisant le collecteur à base de MBT-MTP dans les mêmes conditions. La récupération maximale obtenue en utilisant des collecteurs à base de MTP et MTP-DTP tout en fonctionnant dans des conditions optimales (pH alcalin et dosage de collecteur à 350 g/t) étant de 88.65 %. Le processus de désulfuration a pu réduire la teneur en soufre des résidus à moins de 0.11% en poids. Les résidus finaux ne sont pas acidogènes, comme le confirment les tests statiques acido-basiques (ABA) et les tests NAG (NAG), par rapport aux échantillons d'alimentation statués comme générateurs d'acidité. Des tests cinétiques sur les résidus désulfurés ont également été effectués pour confirmer les résultats des tests statiques et NAG tests, ainsi que se statuer sur le potentiel de génération de contaminants (en particulier As, Ni, Cu, Fe et Zn). Le résidu désulfuré d'Amaruq présente un très faible risque de génération de drainage minier contaminé ; les contaminants lixiviés n'excèdent pas les critères établis par la législation provinciale du Québec.  ABSTRACT: Environmental desulfurization by flotation is a promising technique for the control of acid mine drainage (AMD) and has already been applied in a wide variety of mining operations to prevent environmental risks. This work aims at addressing the flotation challenges of mine tailings for environmental purposes and was divided into two sections; a fundamental section where a Ni-As-sulfosalt (Gersdorffite, NiAsS, frequently encountered in many gold mine wastes) was characterized and reacted with an environmentally friendly alternative xanthate collectors to gain a better understanding of the physicochemical evolution of the mineral surface and the adsorption mechanisms and behaviour of this sulfosalt, and thus improve its flotation behaviour when present in any given tailing. The second part of this work is dedicated to the desulfurization of actual tailings from the Amaruq mine at a laboratory scale using froth flotation. The main goal was to assess the efficiency of the desulfurization process with the Amaruq tailings and its capacity to make mine operations more sustainable and respectful of the environment. The characterization was conducted using diffuse reflectance infrared by Fourier transform (DRIFT) spectroscopy and optical microscopy. The main parameters evaluated were the impact of air-oxidation (aging) and the effect of pH (at different values using different reagents: soda ash (NaOH) and lime (CaO)) on the surface chemistry of gersdorffite. Collector adsorption behaviour was also studied using four environmentally friendly collector types as alternatives to xanthate, mainly based on dithiophosphates (DTP) and Mercaptobenzothiazole (MBT). The investigation included UV–vis spectrophotometry and DRIFT spectroscopy, and testing was conducted on pure gersdorffite mineral. Dry grinding the gersdorffite generated a thin and heterogeneous particle coating mainly composed of arsenic oxides (arsenite and arsenate) and nickel sulfate (NiSO4), with minor elemental sulfur. Hydroxylated Ni species (Ni-OH) were also observed. MBT molecules were found to be the most active compound responsible for the adsorption of the collectors as demonstrated by the adsorption isotherms and the DRIFT spectra. The results of this study have led to a better understanding of gersdorffite surface chemistry before and after the collector adsorption, which should impact its flotation behaviour. Amaruq tailings flotation process was carried out by testing the conventional potassium amyl-xanthate collector (PAX) and three alternative collectors based on mercaptobenzothiazole (MBT) and dithiophosphate (DTP) families. Mineralogical characterization of the Amaruq tailings using automated scanning microscopy (QEMSCAN) revealed that the total sulfide and carbonate contents were 7.93 wt% and 3.05 wt%, respectively; 63.39% of the sulfur occurred as pyrrhotite, 30.17% as pyrite, 3.63% as gersdorffite, and 2.61% as arsenopyrite. To compare the collector flotation yields, response surface methodology (RSM) was used for statistical design, analysis, and modelling of froth flotation experiments using three key-parameters: pH, activator (CuSO 4) dosage, and collector dosage. Four quadratic mathematical models were developed for each collector to calculate sulfide recovery. Variance analysis (ANOVA) revealed that the factors that most affected sulfide recovery were collector type/dosage and pH. Process optimization yielded a maximum sulfide recovery of 96.73% using 300 g/t PAX and 300 g/t CuSO4 at pH 11. A similar recovery of 95.83% was achieved using an MBT-MTP based collector under the same conditions. The maximum recovery obtained using MTP and MTP-DTP based collectors while operating at optimum conditions (alkaline pH and maximum collector dosage at 350 g/t) was 88.65%. The desulfurization process succeeded in decreasing the sulfur content in the tailings to less than 0.11 wt%. The final tailings were not acid-forming, as confirmed by the acid-base accounting (ABA) and net acid generation (NAG) static tests, compared to the highly acid-forming feed samples. Kinetic testing on the desulfurized tailings was also performed to predict and validate their acid generating potential, as well as their contaminant release rates (particularly As, Ni, Cu, Fe, and Zn). The Amaruq desulfurized material showed a very low risk of contaminated mine drainage generation, and the leached contaminants did not exceed the criteria set by Quebec provincial legislation.


identifier: De Paula Ferreira, W. (2021). A framework to Support Industry 4.0 Initiatives in Manufacturing Companies  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie 4.0 est une stratégie majeure visant à promouvoir l'innovation et à améliorer la compétitivité du secteur manufacturier dans une économie mondiale de plus en plus numérisée. Cette stratégie est souvent associée à des principes et des technologies qui ont des implications sur la création de valeur, les modèles d'affaires, l'organisation du travail et la performance. L'industrie 4.0 a été principalement déclenchée par la nécessité de raccourcir les cycles d'innovation, l'individualisation de la demande et l'efficacité des ressources, et est stimulée par des avancées et l'accès aux technologies de l'information, de la communication et de l'automatisation. Malgré sa pertinence, il y existe toujours un manque de compréhension de ce concept, de ses méthodes et des outils qui aident les entreprises à faire la transition numérique. Ce manque est particulièrement présent chez les petites et moyennes entreprises (PME), où l'industrie 4.0 est encore sous-exploitée. Cette thèse de doctorat, qui résulte d'une recherche collaborative avec un centre collégial de transfert de technologie canadien, vise à améliorer la compréhension du concept de l'Industrie 4.0 et à développer des artéfacts de modélisation pour soutenir les initiatives de l'Industrie 4.0 dans les entreprises manufacturières. Il s'agit d'une recherche ayant pour but de contribuer au développement des connaissances scientifiques ainsi qu'à la pratique, basée sur la méthodologie du «Design Science». Étant multidisciplinaire, cette recherche est à l'intersection de trois domaines de recherche : l'industrie 4.0, la modélisation et simulation de systèmes, et le «Lean». Ce faisant, elle vise à apporter trois contributions principales. La première contribution se concentre sur le développement d'une revue de l'état de l'art visant à analyser et à caractériser l'industrie 4.0, plus particulièrement du point de vue de la simulation, présentée par certains auteurs comme un domaine d'action prioritaire pour soutenir le développement de l'industrie 4.0. La deuxième contribution consiste à proposer un cadre pour l'identification et l'analyse des scénarios d'application de l'industrie 4.0. Ce cadre prend en compte le modèle d'architecture de référence pour l'industrie 4.0 et une approche de modélisation hybride, combinant la modélisation à évènements discrets et à base d'agents. En ce qui a trait à la troisième contribution, l'accent a été mis sur le développement d'un cadre de modélisation pour soutenir des initiatives de l'Industrie 4.0 dans les entreprises manufacturières (principalement des PME), étendant la traditionnelle cartographie des chaînes de valeur au contexte de l'industrie 4.0. Ce cadre a été testé et évalué à travers une étude de cas dans une PME canadienne faisant une transition vers l'industrie 4.0. En somme, cette thèse contribue à mieux comprendre les construits de l'Industrie 4.0, ainsi qu'à identifier, modéliser, simuler et analyser des scénarios d'application de l'Industrie 4.0 pour soutenir ses initiatives dans les PME manufacturières.  ABSTRACT: Industry 4.0 is a central strategy to innovate and increase the manufacturing sector's competitiveness in an increasingly digital global economy. It is associated with principles and technologies, with implications for value creation, business models, work organization, and performance. Industry 4.0 was mainly triggered by the need to shorten development and innovation cycles, individualization of demand, resource efficiency, and is driven by significant advancements and access to information, communication, and automation technologies. Despite its increasing relevance, there is still a lack of understanding of the Industry 4.0 concept, and methods and tools to support companies' transition towards Industry 4.0 are still scarce, especially for small and medium-sized enterprises (SMEs), where it is still underexploited. This Ph.D. thesis, which results from a collaborative research with a Canadian College Centre for Technology Transfer (CCTT), aims to enhance the understanding of Industry 4.0 constructs and develop modeling artifacts to support Industry 4.0 initiatives in manufacturing companies. It consists of knowledge and practice-enhancing research based on the design science paradigm. It is multidisciplinary, framed at the intersection of Industry 4.0, Modeling & Simulation, and Lean Manufacturing fields, providing three main contributions. The first contribution is to develop a state-of-the-art review to analyze and characterize Industry 4.0 key constructs and the development of simulation-based research in Industry 4.0, featured as a priority area for action to support the development of Industry 4.0. The second contribution consists of proposing a framework for identifying and analyzing Industry 4.0 scenarios for application, which considers the reference architecture model for Industry 4.0 (RAMI4.0) and a hybrid modeling approach that combines discrete-event agent-based modeling and simulation. In the third contribution, the focus is on developing a new modeling framework to support the development of Industry 4.0 initiatives in manufacturing companies (mainly SMEs) by extending the Lean Value Stream Mapping (VSM) to the context of Industry 4.0, which was evaluated through a proof-of-concept case developed in a Canadian SME from the furniture and related product manufacturing sector investing in Industry 4.0. Overall, this Ph.D. thesis contributes to better understanding Industry 4.0 constructs, identifying, modeling, simulating, and analyzing Industry 4.0 application scenarios and examples to support Industry 4.0 initiatives in manufacturing companies.


identifier: Raballand, C. (2021). Modélisation biomécanique de la chirurgie par modulation de croissance de la colonne vertébrale scoliotique : analyse pour prévenir les déformations périphériques subséquentes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Deux à 3% des enfants présentent une scoliose, déformation 3D de la colonne vertébrale, dont 80% sont idiopathiques, c'est-à-dire sans origine connue. Pour les scolioses sévères (angle de Cobb >45°) ou à fort potentiel de croissance, un traitement chirurgical est requis afin de stopper la progression de la courbure. L'intervention chirurgicale actuellement la plus utilisée fait intervenir une fusion vertébrale, la rendant très impactante pour la qualité de vie de l'enfant à cause notamment de la perte de mobilité que cela entraine. Pour l'éviter, le dispositif Anterior Vertebral Body Tethering (AVBT), une chirurgie dite « sans-fusion » par modulation de croissance, a été développée en utilisant une approche basée sur le principe de Hueter-Volkman. Celui-ci stipule qu'un chargement en compression sur les plaques de croissances inhibe la croissance alors qu'une force distractive la stimule.  L'AVBT vient ainsi comprimer le côté convexe de la courbure par un câble fixé sur le côté des corps vertébraux afin d'inhiber la croissance et favoriser l'expansion du côté concave. Par modulation de croissance, la colonne vient alors graduellement se redresser au cours du temps et de la croissance. L'AVBT est donc une méthode prometteuse puisque qu'elle préserve la mobilité de l'enfant et ne nécessite pas de chirurgie de suivi périodique pour redresser la colonne. Néanmoins, actuellement implantée de manière empirique par les chirurgiens et chirurgiennes orthopédistes, il manque encore des connaissances sur ses effets au long-terme notamment sur les risques de bris de câble, de surcorrection ou de déformations subséquentes (adding-on). Ces dernières peuvent, en effet, survenir sur les courbures non-instrumentées de la colonne suite à l'implantation de l'AVBT. Ainsi, la courbure distale sous-jacente à l'instrumentation pourrait subir une nouvelle déformation postopératoire à cause de l'implant, ou, au contraire, se stabiliser voire s'améliorer. Pour faciliter la prédiction d'une telle évolution, il s'avère nécessaire de comprendre et d'étudier l'effet de paramètres biomécaniques intervenant dans l'évolution du segment non-instrumenté distal afin de prédire l'effet du dispositif sur le rachis entier. L'objectif de ce mémoire était de développer une technique d'analyse biomécanique afin de prédire les déformations secondaires périphériques distales induites par l'implantation d'un dispositif sans fusion par modulation de croissance AVBT pour la scoliose pédiatrique. Ceci était pour tester l'hypothèse que l'évolution de la courbure lombaire suivant l'instrumentation AVBT peut être prédite par l'angle de cunéiformisation (wedging) discal et l'asymétrie des forces sous la dernière vertèbre distale instrumentée (LIV).  ABSTRACT: Two to 3% of children have scoliosis, a 3D spinal deformity, of which 80% are idiopathic, i.e. without a known origin. For severe scoliosis (Cobb angle >45°) or with high growth potential, surgical treatment is required to stop the progression of the curvature. The most commonly used surgical procedure currently involves a spinal fusion, making it very impactful on the patient's quality of life due to the loss of mobility that it entails. To avoid this, the Anterior Vertebral Body Tethering (AVBT) a fusionless device by growth modulation, has been developed using an approach based on the Hueter-Volkman principle. This principle states that compressive loading on the growth plates inhibits growth while a distractive force stimulates it.  The AVBT compresses the convex side of the curvature with a tether attached to the side of the vertebral bodies to inhibit growth and promote expansion on the concave side. Then, by growth modulation, the spine gradually straightens out over time and with growth. AVBT is therefore a promising method since it preserves the patient's mobility and does not require periodic follow-up surgery to straighten the spine. Nevertheless, currently implanted empirically by orthopedic surgeons, there is still a lack of knowledge about its long-term effects, particularly about the risks of cable breakage, overcorrection or subsequent deformities (adding-on). The latter may occur on non-instrumented spinal curvatures after AVBT implantation. Thus, the distal curvature underlying the instrumentation could undergo further postoperative deformation due to the implant, or, on the contrary, stabilize or even improve. To help predict such evolution, it is necessary to understand and study the effect of biomechanical parameters involved in distal non-instrumented segment evolution in order to predict the effect of the device on the entire spine. The objective of this thesis was to develop a biomechanical analysis technique to predict distal secondary peripheral deformities induced by implantation of a fusionless AVBT device for pediatric scoliosis. The hypothesis to be tested was that the evolution of lumbar curvature following AVBT instrumentation can be predicted by the wedging angle of the disc and the asymmetry of forces under the lower instrumented vertebrae (LIV). For this purpose, a biomechanical finite element model based on the 3D reconstruction of patients treated with AVBT was used. This model includes the spine and its pre-, intra- and postoperative positioning as well as the implantation of the AVBT device on the vertebrae and its tensioning.


identifier: van der Beek, B. (2021). Développement d'un outil numérique pour la simulation du contact aube/carter  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pour augmenter les rendements, les constructeurs de turbines à gaz réduisent au maximum la distance entre les parties mobiles en rotation et le carter fixe environnant afin de limiter les pertes aérodynamiques. Les vibrations des aubes, principalement induites par la très grande vitesse de fonctionnement de ces moteurs et des flux d'air importants, vont conduire à des contacts aube/carter qui, malgré le dépôt d'un revêtement abradable, affectent considérablement la durée de vie des aubes. Au vu de la complexité des phénomènes étudiés tels que la prise en compte de modèles d'éléments finis, la gestion précise du contact, le calcul de l'usure du revêtement abradable et la prise en compte de potentiels effets dus aux grandes vitesses de rotation, les logiciels de modélisation numérique ne peuvent être utilisés. Ainsi, l'objectif de ce mémoire est de présenter un outil numérique, développé en Python, et dédié à la simulation de phénomènes de contact observés sur les aubes de turbines à gaz. Pour ce faire, une modélisation précise de l'aube, incluant les effets inertiels, est réalisée. Celle-ci nécessite la réduction du nombre de degrés de libertés, réalisée avec la méthode de CraigBampton pour assurer des temps de calculs raisonnables. Une approche temporelle est utilisée pour résoudre l'équation du mouvement pour obtenir à la fois le comportement transitoire et permanent. Cette résolution peut se faire avec ou sans prise en compte de l'usure et des forces aérodynamiques. La méthode des multiplicateurs de Lagrange est utilisée pour gérer le contact aube/carter. Finalement, différents modules de post-traitement sont développés pour permettre la détermination de vitesses critiques de fonctionnement et la visualisation des champs de contraintes dans l'aube. Lors développement d'un tel outil pour un partenaire industriel, il est essentiel de s'assurer qu'il fournit des résultats précis et fiables. De nombreuses vérifications ont été menées tout au long de ce projet pour assurer la bonne implémentation de l'outil. Finalement, une attention particulière a été portée à la rapidité de l'outil car un tel outil peut vite se révéler inutilisable s'il est trop lent.  ABSTRACT: In order to improve performances, gas turbine manufacturers tend to minimize the distance between the rotating components and the fixed casing in view of limiting aerodynamic losses. Blade vibrations, induced mainly by the high operating angular speed and the intense air f low in these engines, will result in blade/casing contacts which, in spite of the use of abradable coating, will substantially affect blades lifespan. Due to the complexity of the studied phenomena such as the management of finite element models, the precise computation of contact, as well as of wear of the abradable coating and the consideration of potential high angular speeds effects, numerical modeling software packages cannot be used. Therefore, the purpose of this thesis is to develop a numerical tool, implemented in Python, and dedicated to the simulation of blade/casing contact observed in gas turbine. To this end, a precise modeling of the blade, which can include inertial effects, is performed. Then, a reduction of the number of degrees of freedom is required to ensure reasonable computation times. A time integration-based method is used to solve the equation of motion enabling both the transient and stationary behavior to be modelled. Solving this equation must be possible either with or without the account of wear and aerodynamic forces. The Lagrange multiplier method is used to manage the blade/casing contact. Ultimately, different post-processing modules are available to determine critical speeds and to visualize the blade's stress fields at several times. Upon development of such a tool for an industrial partner, it is crucial to ensure that the results are accurate and reliable. Numerous verifications were conducted throughout this project to ensure the proper implementation of the tool. Finally, a particular attention was paid to the performance of the tool as such a tool can quickly become unusable if it is too slow.