identifier: Klotz, T. (2018). Analytical Prediction of Shot Peening Effects on Nickel-Based Superalloy Inconel 718 Fatigue Life  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le grenaillage est un procédé de traitement de surface très utilisé dans l'industrie aérospatiale. Il consiste à projeter, à haute vitesse, des grenailles sur la surface d'une pièce métallique. Lors de l'impact, les grenailles déforment plastiquement une faible épaisseur de matière. Ce procédé crée des contraintes résiduelles en compression à la surface de la pièce ainsi qu'un durcissement au sein de la couche plastiquement déformée. Ces contraintes résiduelles compressives, alliées au durcissement, retardent l'amorçage et freinent la propagation des fissures à la surface de la pièce. La surface d'une pièce étant souvent l'endroit le plus critique pour la formation des fissures en fatigue, le grenaillage permet d'augmenter de façon significative la durée de vie des pièces mécaniquement sollicitées en repoussant sous la surface l'amorçage des fissures. Malgré ses nombreux avantages, le grenaillage n'est pas exempt d'effets négatifs sur la vie en fatigue. Les cratères créés à la surface lors de l'impact des grenailles sont des concentrateurs de contraintes qui favorisent l'amorçage et la propagation des fissures. De plus, en impactant l'arête d'une pièce, les grenailles peuvent déformer plastiquement cette dernière et créer des bavures. Ces bavures sont critiques pour l'amorçage et la propagation des fissures. Le grenaillage est donc un procédé qui doit être optimisé. Un grenaillage trop léger ne créera pas assez de contraintes résiduelles compressives et de durcissement en surface pour améliorer significativement la vie en fatigue tandis qu'un grenaillage exécuté de manière trop sévère réduira la vie en fatigue de la pièce par la création de concentrateurs de contraintes trop prononcés. Les paramètres de grenaillage optimaux sont déterminés par la méthode essai et erreur et le grenaillage n'est souvent pas pris en compte durant la phase de conception des pièces. Il est plutôt considéré comme un facteur de sécurité. L'objectif de cette thèse est de développer un outil analytique, adapté au superalliage de nickel Inconel 718, permettant de prédire la vie en fatigue ainsi que les mécanismes d'amorçage et de propagation des fissures en fonction des conditions de grenaillage et des chargements imposés sur la pièce. Ce modèle pourra permettre, dans le futur, de réduire le nombre d'essais destinés à optimiser les conditions de grenaillage et de prendre en compte ses effets bénéfiques sur la vie en fatigue lors de la conception des pièces. Afin de réaliser cet outil de prédiction analytique, la première étape a consisté à mener une campagne expérimentale d'envergure afin de caractériser, aux échelles macroscopique et microscopique, les évolutions des propriétés mécaniques de l'Inconel 718, avec et sans grenaillage, durant sa vie en fatigue.  ABSTRACT: Shot peening is a surface treatment largely used in the aerospace industry. This cold working process consists in impinging particles, called shots, at high velocity onto a metallic part surface. The shots plastically deform the treated surface. The process induces surface compressive residual stresses and work hardening. Compressive residual stresses and cold work delay crack initiation and retard short crack propagation at the part surface. The surface is a critical location for crack initiation and shot peening increases service life by pushing crack initiation underneath the surface. Despite its positive effects on fatigue, shot peening also creates dimples that are stress concentration features which promote crack initiation and propagation. Moreover, when impacting edges, the shots induce plastic deformations in the form of burrs. These burrs, called rolled edges, are highly critical for crack initiation and short crack propagation. Shot peening is thus a process that must be optimized. Shot peening at a low intensity will not induce sufficiently compressive residual stresses and cold work to improve the fatigue life and shot peening at a too high intensity will be detrimental to fatigue life due to the formation of severe surface stress concentration features. Optimal shot peening parameters are usually determined by trial and error and shot peening is often not accounted for during the design stages of a component, but rather considered as a safety factor. This thesis aims at developing an analytical tool to predict fatigue life, and crack initiation and propagation mechanisms on shot peened nickel-based superalloy Inconel 718 by accounting for the shot peening and the loading conditions. Such a model could allow, in the future, to reduce the costs associated with the optimization of the shot peening conditions and to finally account for its beneficial effects on fatigue life during design stages. The first step consisted in performing an extensive experimental campaign to characterize, at a microscale and a macroscale, the evolution of peened and unpeened Inconel 718 mechanical properties under cyclic loading. The tests varied from the simplest quasi-static tensile test to the most complex techniques such as the measurement of the residual stresses redistribution, the rupture surfaces observations under a scanning electron microscope or the short cracks propagation monitoring. It was shown that the fatigue life can be increased by a factor of twenty in high cycle fatigue under optimal shot peening conditions. On the other hand, it was observed that shot peening is not beneficial, even detrimental, in low cycle fatigue.


identifier: Pougoum, F. (2018). Development of Fe3Al-Based HVOF Coatings for Wear-Resistant Applications  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le vieillissement des infrastructures, caractérisé par la détérioration des propriétés de surface, est causé par l'action de l'usure, la corrosion ou la synergie des deux. C'est un problème commun à plusieurs secteurs industriels tels que l'hydroélectricité, l'aérospatiale, l'automobile, etc. Les conséquences de ce phénomène peuvent varier de la perte de l'efficacité du système, de l'augmentation du coût de la réparation, de la maintenance ou du remplacement des pièces. La dégradation des composants commence souvent par la surface. Pour cette raison, l'ingénierie de surface peut être utilisée pour fournir à la surface des propriétés adéquates ou des revêtements protecteurs pour prévenir ou retarder l'enlèvement de la matière. L'usure se produit dans des situations où au moins deux surfaces solides en mouvement relatif interagissent. De telles interactions sont à prévoir lorsqu'une surface est exposée à des contacts tribologiques résultant de l'altération des propriétés de surface. Dans ce contexte, l'enlèvement de la matière est généré par divers modes de dégradation qui comprennent l'abrasion, la fatigue, l'adhésion et l'oxydation. En effet, plusieurs modes de dégradation peuvent avoir lieu simultanément dans un processus d'usure. Lorsque la perte de la matière d'une surface est provoquée par des réactions chimiques ou électrochimiques avec l'environnement (liquide ou gazeux), le processus est appelé corrosion. Afin de répondre à ces préoccupations, l'objectif principal de cette thèse de doctorat vise à développer des matériaux résistants à l'usure à base d'aluminure de fer (Fe3Al) en utilisant le concept de modification structurelle par l'ajout de particules dures et en contrôlant la microstructure. Les principaux résultats de cette recherche sont présentés sous forme d'articles dans des revues à comité de lecture. Dans le premier article, l'influence de l'ajout du BN, du traitement thermique et du temps de broyage sur les propriétés mécaniques et tribologiques des revêtements composites à base de Fe3Al ont été étudiées. Dans ce contexte, le broyage à boulets a été appliqué sur le mélange de poudres de Fe3Al et de BN à différentes énergies. Ensuite, les revêtements ont été déposés à partir de poudres broyées en utilisant la technique HVOF (High Velocity Oxy-Fuel), et leurs propriétés mécaniques et tribologiques ont été évaluées. Il a été montré que les revêtements avec les grandes inclusions céramiques réparties aléatoirement dans la matrice Fe3Al présentent une performance d'usure plutôt médiocre.  ABSTRACT: Aging infrastructure characterized by the deterioration of surface properties of components is caused by the action of wear, corrosion or a synergy of both. It is a problem common to many industrial sectors such as hydroelectric power, aerospace, automotive, etc. Consequences of this process can vary from the loss of the system efficiency, the increase of the cost of repairs, maintenance or replacement of components. The degradation of components often starts from the surface. For that reason, surface engineering can be used to provide surfaces with adequate properties or protective coatings to prevent and/or to delay material removal and deterioration. Wear occurs in situations where at least two solid bodies in relative motion interact. Such interactions are expected when a surface is exposed to tribological contacts resulting in the alteration of surface properties. In this context, material removal is generated via various degradation modes that include abrasion, fatigue, adhesion and oxidation or corrosion. Indeed, several degradation modes can take place simultaneously in a wear process. When material loss from a surface is prompted by chemical or electrochemical reactions with the environment, the process is referred to as corrosion. Here, the environment can be liquid or gaseous containing corrosive species. In order to address these concerns, the principal objective of this Ph.D. thesis is to develop wear resistant materials based on iron aluminide (Fe3Al) using the concept of structural modification by adding hard particles and controlling the microstructure. The main results of this research are presented in the form of articles in refereed journals. In the first article, the effect of BN addition, heat-treatment, and ball-milling on the mechanical and tribological properties of Fe3Al-based composite coatings were investigated. In this context, the ball-milling was applied on a mixture of Fe3Al and BN powders at different energies. Then, coatings were deposited from milled powders using the high velocity oxy-fuel (HVOF) technique, and their mechanical and tribological properties were evaluated. It was shown that the microstructure of the composite powders was preserved in the HVOF coatings. Moreover, the addition of BN significantly enhances the hardness and wear resistance of the Fe3Al matrix. To further improve the tribo-mechanical properties of the composite coating, heattreatment was applied on milled powders in order to precipitate Fe2B and AlN phases into the Fe3Al matrix.


identifier: Grimard, L.-P. (2018). Étude de laboratoire du comportement de résidus miniers soumis à des essais de compression non drainés et à une baisse du confinement, avec mesures de vitesse des ondes de cisaillement  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La génération de rejets par l'industrie minière est inévitable pour la production des minéraux requis pour la majorité des objets qui font fonctionner notre société. Typiquement entreposés dans d'énormes bassins ceinturés de digues, les résidus miniers font partie de ces rejets. Ils représentent un défi géotechnique intéressant pour les ingénieurs. En pratique, des ruptures de ces digues arrivent encore aujourd'hui et la majorité des dommages est associée avec l'écoulement des résidus liquéfiés. Néanmoins, peu de moyens existent actuellement afin d'évaluer le comportement des résidus face à des charges de compression en conditions consolidées non drainées ou lors d'une perte de confinement.  ABSTRACT: The generation of wastes by the mining industry is inevitable to produce the minerals required for most objects that make our society work. Typically stored in huge basins retained by dikes, tailings are part of these wastes. They represent a major geotechnical challenge for engineers. Ruptures of these dikes still occur today and most damage is associated with the flow of liquefied tailings. Nevertheless, few methods exist to evaluate the behavior of tailings under compressive loads in undrained conditions or during a loss of confinement.


identifier: Ghafouri, M. (2018). Subsynchronous Resonance in DFIG-Based Wind Farms  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La résonance sous-synchrone (SSR) se produit lorsqu'un réseau de transmission est compensé et un générateur commence à échanger de l'énergie aux fréquences inférieures à celles du système d'alimentation. Ce phénomène a été observé dans la centrale électrique d'Arizona en 1970, lorsqu'un générateur synchrone a été relié radialement à une ligne compensée. Depuis, des recherches approfondies ont été réalisées pour analyser et atténuer ces oscillations. En octobre 2009, un incident d'interaction de contrôle sous-synchrone (SSCI) s'est produit dans le système d'énergie ERCOT (parc éolien de Zorillo Gulf au Texas), ce qui a révélé la susceptibilité des parcs éoliens à générateur d'induction doublement alimentés (DFIG) à des phénomènes sous-synchrone. Dans cette thèse, le problème de SSCI dans un parc éolien basé sur DFIG relié à la ligne de transmission compensée en série est étudié. Les équations linéarisées qui décrivent le comportement du système sont développées sur la base du modèle réaliste de l'éolienne. Cet ensemble d'équations est utilisé pour obtenir un aperçu du comportement du système et de ses modes dominants. Plusieurs points de repère sont également développés sur la base du système d'alimentation réaliste pour aborder le problème de la simplicité et du système irréaliste dans la littérature existante. La simulation électromagnétique (EMT) a été utilisée pour obtenir le comportement transitoire précis du système et vérifier son exécution avec les exigences du code de réseau. Les points de repère développés ainsi que l'approche de balayage de fréquence, la méthode basée sur l'impédance, l'analyse de valeurs propres ou les simulations EMT permettent de détecter le risque potentiel des oscillations SSCI. Les analyses de valeurs propres et de sensibilité sont ensuite effectuées pour observer l'impact de différents paramètres système sur la stabilité. Plusieurs contrôleurs supplémentaires sont proposés pour résoudre le problème de stabilité et les mauvaises performances résultant du phénomène SSCI. Les contrôleurs proposés sont conçus selon la topologie et les conditions de fonctionnement du système d'alimentation. Pour vérifier la performance des contrôleurs proposés, plusieurs études de simulation sont réalisées dans le logiciel EMTP-RV. Dans les études de simulation, un modèle de parc éolien détaillé comprenant les fonctions de détection de défauts (FRT), le contrôleur de parc éolien (WFC), les non-linéarités du circuit électrique et de contrôle, le réseau de sous-transmission détaillé et la vitesse du vent non homogène sont considérés.  ABSTRACT: Subsynchronous resonance (SSR) occurs when a compensated transmission network and a generator start to exchange energy at frequencies lower than that of the power system. This phenomenon was observed in an Arizona power station in 1970, when a synchronous generator was radially connected to a compensated line. Since then, extensive research has been conducted to analyze and mitigate such oscillations. In October 2009, a subsynchronous control interaction (SSCI) incident occurred at an ERCOT (Electric Reliability Council of Texas) power system (at Zorillo-Gulf wind farm) which revealed the susceptibility of doublyfed induction generator (DFIG)-based wind farms to the subsynchronous phenomenon. This thesis investigates the SSCI problem in a DFIG-based wind farm connected to a series compensated transmission line. The linearized equations which describe the behavior of the system are developed based on a realistic wind turbine model. This set of equations is utilized to gain insight into the behavior of the system and its dominant modes. Benchmarks are developed based on realistic power systems to tackle the problems caused by the application of oversimple and unrealistic case study systems that exist in the literature. Electromagnetic transient (EMT) simulation is carried out to obtain the precise dynamic response of the system and to verify its compliance with the grid code requirements. The developed benchmarks together with the frequency scan approach, the impedance-based method, eigenvalue analysis, and EMT simulations are used to identify the potential risk of the SSCI oscillations and to obtain guidelines for the safe operation of the system. Eigenvalue and sensitivity analyses are then performed to evaluate the impact of different parameters on the stability of the system. Supplementary controllers are proposed to tackle the stability problem and the poor performance due to the SSCI phenomenon. The proposed controllers are designed according to the topology and the operating conditions of the power system. To examine the performance of the proposed controllers, several simulation studies are carried out using the EMTP-RV software. In the simulation studies, a detailed wind farm model is considered. This detailed model includes the fault-ride-through (FRT) functions, a wind farm controller (WFC), the nonlinearities of the electrical and control circuits, a detailed sub-transmission network, and non-homogeneous wind speed. The problems of local and central supplementary SSCI controllers and the impact of aggregating the wind turbine generators in the design procedure are also discussed. It is shown that delays and sensor failure can adversely affect stability when a supplementary controller is included at the secondary level. To overcome these implementation challenges, some existing approaches such as Smith predictor scheme and residue generation method are used in order to increase the delay margin and to achieve a fault-tolerant control system.


identifier: R. Brunet, A. (2018). Les réseaux de chambres de culture de sphéroïdes : un outil pour la recherche de traitements combinatoires en oncologie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le traitement du cancer requiert fréquemment la combinaison de plusieurs traitements tels la chimiothérapie et la radiothérapie afin d'accroitre les chances de survie des patients. L'efficacité de ces combinaisons repose sur les synergies entre les traitements et varie grandement en fonction de la nature du cancer ciblé et des traitements utilisés. Or, il n'existe peu ou pas d'outils spécialisés compatibles à la radiothérapie permettant de tester rapidement ces combinaisons en laboratoire. Nous avons donc développé un dispositif microfluidique composé d'un réseau de valves permettant la réalisation de 12 combinaisons et la culture de sphéroïdes, des agrégats cellulaires tridimensionnels formés d'un ou de plusieurs types de cellules. Le dispositif est composé d'un assemblage d'étages de PDMS, un matériau flexible, transparent et perméable à l'oxygène, et est réalisé à partir de moules fabriqués par impression 3D, permettant la réalisation de plusieurs itérations du dispositif rapidement et à moindre cout. Le dispositif devant être simple à utiliser, compatible aux techniques de culture cellulaire conventionnelles, nous avons conçu des valves magnétiques manuelles afin de pouvoir contrôler le flux des liquides dans le système. Chacune de ces valves peut être contrôlée manuellement et individuellement, conférant un haut degré de flexibilité au dispositif. Elles résistent aussi à des pressions élevées (> 10 kPa), même après une exposition à une dose de radiothérapie de 8 Gy et une incubation de 7 jours à 37°C. Le dispositif final, le réseau de chambres de culture de sphéroïdes (RCCS), est composé de 12 chambres de cultures contenant chacune 25 puits où peuvent se former les sphéroïdes. Chaque chambre de culture est entourée de quatre valves, ce qui permet de contrôler précisément le trajet emprunté par les solutions à l'intérieur du dispositif. En ajustant les valves, il est possible de remplir le RCCS en entier à partir d'une entrée et d'une sortie ou de faire circuler les solutions en empruntant seulement les canaux horizontaux ou verticaux. Les chambres de culture sont aussi séparées les unes des autres de plusieurs millimètres, ce qui permet d'exposer les différentes chambres d'un même dispositif à différentes doses de radiothérapie. Les RCCS ont permis la formation et l'imagerie des sphéroïdes provenant de trois lignées cellulaires différentes directement sur le dispositif. Il reste encore à évaluer leur potentiel dans un contexte réel de recherche de traitements combinatoires en oncologie, mais il ne fait aucun doute qu'une fois ces résultats obtenus, les RCCS pourraient devenir un outil clé pour la recherche en oncologie.  ABSTRACT: Cancer treatment frequently needs a combination of several treatments such as chemotherapy and radiotherapy in order to increase patients' survival rates. Efficacy of these combinations relies on synergies between treatments and varies greatly in function of the nature of the targeted cancer and the treatments used. However, very few specialized tools exist that allow rapid testing of these combinations in laboratory, while being compatible to radiotherapy. Hence, we developed a microfluidic device composed of an array of valves allowing simultaneous testing of twelve combinations of treatments and culture of spheroids, tridimensional cell aggregates composed of one or more type of cells. The device is composed of an assembly of layers of PDMS, a flexible, transparent and oxygen permeable material. The layers were made from 3D printed molds, allowing cheap and adaptable fabrication of the device according to the different needs. In order for the device to be simple to use and compatible to day to day cell culture techniques, we designed manual magnetic valves to route liquids within the system. Each of these valves can be opened and closed manually, resulting in a high degree of flexibility. They also resist high pressures (> 10 kPa), even after being exposed to 8 Gy radiotherapy and incubated 7 days at 37°C. The final device, the spheroid culture chamber array (SCCA), is composed of 12 culture chambers each containing 25 wells where spheroids can form. Four valves, allowing precise control of solutions pathways within the device, surround each culture chamber. By adjusting the valves configuration, it's possible to fill the entire device from a single inlet and outlet or to fill only the vertical or horizontal channels. The culture chambers are also separated by several millimeters, which allows exposure of the different chambers to different radiotherapy doses on a single device. SCCA allowed formation and imaging of spheroids from three different cell lines directly on-chip. The potential of the device in a real oncology combinatorial experiment still remains to evaluate, but there is no doubt that, once there experiments will be done, SCCAs could become a key tool in oncology research.


identifier: Salhab, R. (2018). Collective Stochastic Discrete Choice Problems: A MIN-LQG Game Formulation  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: On étudie dans cette thèse une classe de problèmes dynamiques concernant des choix collectifs discrets. Il s'agit de situations où un grand nombre d'agents exercent un effort pendant un horizon de temps fini pour se déplacer de leur position initiale et être à la fin de l'horizon aux alentours d'un nombre fini d'alternatives. En bougeant, ils doivent minimiser leurs efforts. De plus, le trajet de chaque agent est influencé par le comportement global de la population (l'effet social). Par exemple, un groupe de robots explorant un terrain doivent bouger de leurs positions initiales pour visiter plusieurs sites d'intérêt en minimisant leurs efforts. Le groupe peut se diviser en plusieurs sous-groupes, mais la taille de chacun doit rester suffisamment grande pour accomplir quelques tâches collectives, par exemple, des missions de secours. Ces problèmes sont aussi reliés aux élections, où les électeurs changent continuellement leurs opinions jusqu'au moment de décider pour qui ils veulent voter. Durant ce processus de choix d'un candidat, l'électeur optimise ses efforts pour ajuster son opinion et rester dans la zone de confort, c'est-à-dire, proche des opinions des autres. Le but de cette thèse est de comprendre les comportements individuels des agents et en déduire le comportement global de la population, et cela, lorsque les agents prennent leurs décisions de façon soit non-coopérative, soit coopérative. En d'autres termes, pour chacun des deux cas, on répond aux questions suivantes : comment un agent choisit-il sous l'influence de l'effet social? Peuton prédire le comportement global de la population et la distribution des choix entre les alternatives? On modélise les problèmes des choix discrets non-coopératifs par une nouvelle classe de jeux dynamiques non-coopératifs qu'on nomme “min-LQG”. Ce sont des versions modifiées des jeux LQG où les coûts individuels incluent un coût final qui est la distance minimale à l'ensemble des alternatives pour modéliser le phénomène des choix discrets. On étudie deux cas. Dans le premier (min-LQG dégénéré), on considère des agents décrits par des équations différentielles avec des conditions initiales aléatoires, alors que dans le deuxième (min-LQG non-dégénéré), leurs dynamiques sont des équations différentielles stochastiques. On utilise la méthodologie des jeux à champs moyen pour analyser les jeux. On développe des stratégies décentralisées, où chaque agent peut implémenter la sienne en observant son état et la distribution de probabilité des états initiaux des agents. Ces stratégies convergent vers un équilibre de Nash lorsque le nombre d'agents tend vers l'infini. Dans le cas dégénéré, un agent fait son choix d'alternative avant de bouger en se basant sur son état initial. Mais, dans le cas non-dégénéré, il ne peut plus s'engager à un choix dès le début.  ABSTRACT: This thesis studies a class of dynamic collective discrete choice problems, whereby a large number of agents have to settle on one of a set of available alternatives within a finite time. Motion in choice space involves a control effort and it is socially influenced, in that the agents' paths are influenced by the aggregate behavior of the group. For example, a large collection of geographically dispersed robots exploring an unknown terrain must move with least energy expenditure from their initial randomly spread positions towards one of multiple potential sites of interest to visit. They do so, however, while trying to remain grouped to achieve some collective tasks, such as search and rescue. Another example is a mechanistic model of elections, where voters evolve continuously in opinion space until they form a final decision regarding who they should vote for. Until voters settle on a candidate, changes in their opinions will involve a mental strain, but at the same time, adhering to an individual opinion when it currently deviates from that of the majority will cause some level of discomfort. Even though both examples qualify as dynamic collective choice problems, they differ in the manner the agents make their choices. In the robotic example, a designer or social planner coordinates the robots' paths to optimize a global cost, while in the second example, the voters, left without any central coordinator, update their opinions selfishly irrespective of whether they make others better or worse-off. This suggests a classification of dynamic collective choice problems into cooperative and noncooperative types respectively. This work aims at modeling these problems and understanding how the population behaves on the microscopic (individual) and macroscopic (population) levels. In other words, we try to answer the following main questions: how does an agent make its choice under the social effect? Can one anticipate the evolution of the agents' state probability distribution (macroscopic behavior) along the time interval, and that of the agents' ultimate choices over the alternatives? We formulate the non-cooperative problem as a dynamic non-cooperative game with a socalled “min-LQG” individual cost. This consists of a modified version of the linear quadratic Gaussian performance index that includes a choice-related minimization term in the final cost to capture the discrete choice aspect. We study two cases. In the first one, the degenerate case, the agents' states evolve according to a set of linear ordinary differential équations with the only source of randomness being their initial conditions. In the second one, the non-degenerate case, besides their random initial conditions, agents are subjected to random noise, thus evolving according to stochastic differential equations.


identifier: Jamshidi, M. (2018). Tool Wear Monitoring Based on Fractal Analysis of Cutting Force Signals While Machining Titanium Alloy Within CFRP/Titanium Stack  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'usinage orbital comporte plusieurs avantages par rapport au perçage axial, particulièrement pour les matériaux difficiles à usiner tels que les alliages de titane. Parmi les avantages, on compte une réduction des bavures, une délamination atténuée et une force de coupe diminuée. L'industrie aérospatiale emploie de plus en plus de structures en matériaux composites en alliages légers à base de titane, en aluminium, et autres. Les propriétés mécaniques de ces alliages apportent une grande rigidité, une résistance importante à la corrosion, un poids faible et une forte résistance à la traction. Toutefois, l'usinage d'empilements de matériaux est difficile en raison des combinaisons diverses des mécanismes d'usure des outils. Afin de répondre aux exigences industrielles, plusieurs chercheurs se sont appliqués pour améliorer l'usinage des empilements hybrides. Par contre, tous les travaux se sont concentrés sur l'analyse des signaux acquis pendant l'usinage de composites impliqués dans ces empilements hybrides. Il en résulte que de l'information utile de l'usinage des matériaux homogènes dans les empilements se trouve négligée. Cette recherche examine l'usinage orbital d'un empilement hybride commun dans l'industrie aérospatiale, soit d'une matière plastique renforcée par des fibres de carbone et du titane. L'étude est consacrée à des pièces en alliage de titane afin d'exploiter les informations des signaux obtenus lors de l'usinage de matériaux homogènes qui sont présents dans des empilements multimatériaux. Les efforts de coupe représentent un des indicateurs les plus importants pour le suivi en ligne de l'état des outils vu leur sensibilité aux transitions d'états de la coupe. Par conséquent, les efforts de coupe sont davantage analysés ces dernières années. Or, l'analyse fractale des efforts de coupe durant l'usinage orbital d'empilements comprenant des alliages de titane CFRP/Ti est une méthode utile pour la caractérisation de la morphologie des signaux en vue de prévoir l'usure des outils. Afin d'exploiter cette avenue, la présente étude examine la « rugosité » des efforts de coupe en fonction du temps, à l'aide de la dimension fractale. La dimension fractale, ainsi que d'autres paramètres fractaux ressortant de la régularisation mathématique, sont évalués afin d'identifier des stades d'usure distincts servant à estimer l'usure et à augmenter la qualité de l'usinage. De plus, un indice fractal est proposé comme paramètre statistique visant le suivi de l'usure des outils durant l'usinage d'alliages de titane. Ceci est accompli afin de réduire la nécessité d'effectuer des essais de coupe à longues durées et d'améliorer le système de surveillance.  ABSTRACT: Orbital drilling has advantages over axial drilling, especially for difficult-to-cut materials like titanium alloys. Reduced burr size, less fiber delamination and reduced cutting force are some of these advantages.  In the aerospace industry, the utilization of hybrid structures made of composites and of lightweight metals such as titanium or aluminium alloys is increasing due to their excellent mechanical properties, including: high stiffness, high corrosion resistance, low weight and high tensile strength. However, machining these multi-material stacks is challenging due to the combination of diverse wear mechanisms which accelerate tool wear. Researchers have been working on the machining of hybrid stacks to provide industry requirements, but all the research has focused on the analysis of the signals acquired during the machining of composite involved in the hybrid stacks; in contrast, useful information from the machining of homogenous materials during machining of the hybrid stacks has been missed. This study investigates orbital drilling of one of the popular hybrid stacks in the aerospace industry, carbon fiber reinforced plastics (CFRP) with Ti-6Al-4V titanium alloy stack, and it has focused on the titanium alloy parts to ply the unexploited information from signals obtained during machining the homogenous materials within multi-material stacks. Cutting force signals are one of the most significant indicators for online tool condition monitoring as consequence of high sensitivity to shifts between cutting states, and has prompted more monitoring of cutting force signals in recent years. Fractal analysis of cutting force signals acquired during the orbital drilling of titanium alloy while machining CFRP/Ti stack is a useful technique to characterize signal features and predict tool wear. In this study, the irregularity and “roughness” of the cutting force signal during titanium alloy machining is characterized in terms of fractal dimension. The fractal dimension and other fractal parameters based on regularization analysis are calculated to identify distinct wear stages, estimate the tool wear and prevent low machining quality. In addition, a fractal index is proposed as a statistical parameter to monitor tool wear during titanium alloy machining to mitigate the need for long machining tests and to improve the monitoring process.


identifier: Seye, S. M. (2018). Plateforme de tests pour les méthodes d'intégration numérique appliquées aux réseaux électriques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La recherche dans la simulation des réseaux électriques est en plein essor. Les logiciels de simulation ne cessent d'être améliorés afin d'augmenter la précision, la rapidité et la stabilité des simulations. Les méthodes d'intégration numérique jouent un rôle essentiel dans ce cadre. En effet, elles définissent la précision et la stabilité de la simulation. Il est donc important de bien déterminer la méthode à utiliser. Aujourd'hui, la méthode la plus répandue est la méthode trapézoïdale. Elle est simple, facile à coder et précise. Mais elle présente des problèmes de stabilité lorsqu'il y a des discontinuités. L'objectif premier de ce projet est d'étudier plusieurs méthodes d'intégration numérique afin de déterminer la meilleure solution en termes de précision, de stabilité et de rapidité. Parallèlement, afin d'augmenter la rapidité des simulations de façon générale, nous nous penchons sur l'implémentation d'un algorithme d'intégration numérique à pas variable utilisant la méthode trapézoïdale. La méthode trapézoïdale présente des oscillations numériques lorsqu'il y a une discontinuité. Pour éviter cela, des logiciels comme EMTP basculent vers la méthode d'Euler régressive dès qu'une discontinuité est détectée puis repassent à la méthode trapézoïdale après deux pas de temps. L'inconvénient de cette solution, c'est la complexité mais aussi la précision faible de la méthode d'Euler régressive qui peut nuire à la précision globale de la simulation. L'enjeu de ce projet est donc de trouver une méthode d'intégration au moins aussi précise que la méthode trapézoïdale et qui est stable durant les discontinuités. D'abord, nous avons développé une plateforme de simulation avec le logiciel Matlab, qui intègre les modèles tels que les résistances, les inductances, les capacitances, les lignes, les transformateurs, les inductances non-linéaires, etc. La plateforme effectue une simulation dans le domaine temporel, il est donc nécessaire de discrétiser les équations courant-tension des composants tels que les inductances ou les capacitances. La méthode d'intégration numérique intervient à ce niveau. Quatre méthodes d'intégration ont été implémentées : trapézoïdale, Euler régressive, Gear 2ème ordre et Two-Stage Diagonnally Implicit Runge-Kutta (2S-DIRK). Afin de solutionner les équations du réseau à chaque pas de temps, on utilise l'analyse nodale modifiée augmentée, qui permet de trouver les tensions aux noeuds du réseau.  ABSTRACT: The recent integration of power electronic converter-based devices such as wind generation, HVDC systems, and photovoltaic (PV) into power systems has introduced significant challenges to power system simulation due to the complexity of modeling these components. There is a growing need for more efficient power system simulation tools. Numerical integration methods play an important role in simulation accuracy and stability. The main goal of this project is to improve the efficiency of power system simulation by developing more efficient integration methods and solution techniques. Specifically, this thesis tackles two main challenges: (i) to improve the accuracy, stability, and speed of existing integration methods; and (ii) to enhance simulation efficiency by developing a variable time-step integration scheme. Trapezoidal method is the most widely-used integration method because of its second order accuracy and simplicity. The main issue with the trapezoidal method is that it may become unstable when a discontinuity occurs. To overcome this problem, the most common solution is to temporarily switch to the backward Euler (BE) method following a discontinuity. However, due to the first order accuracy of BE, the trapezoidal/BE method may not be sufficiently accurate under repeated discontinuities. To address this challenge, the first part of this thesis proposes a more efficient integration method compared to trapezoidal/BE. To that end, the thesis considers two integration methods, namely, Gear 2nd order and 2 Stage Diagnonally Implicit Runge-Kutta (2S-DIRK), and compares their performance in terms of accuracy and simulation speed. The results suggest that a combination of trapezoidal and 2S-DIRK provides a more superior performance compared to the trapezoidal/BE method. However, in some cases, 2S-DIRK was unable to fully eliminate the numerical oscillations resulting from transition from trapezoidal to 2S-DIRK. Nevertheless, due to its superior accuracy specially in regard to non-linear circuits, the proposed trapezoidal/2S-DIRK method seems to have a slight advantage. Most of the existing simulation algorithms use a fixed time step which is determined based on the highest frequency component of the simulated phenomenon. The representation of a high frequency transient requires a small time-step, even when the high frequencies occurs for a short period of time. However, such a small time-step, which may make the simulation computationally demanding, is not necessary for most of the simulation time.


identifier: Orabi, L. B. (2018). Électrodialyse de la liqueur noire avec membrane bipolaire-caractérisation de l'hydrodynamique d'une cellule et relation à la performance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie de pâte et papier canadienne existe depuis les années 1800 et a connu des évolutions révolutionnaires au fil du temps. En 1990, le Canada est devenu le premier producteur mondial de pâte et papier dans le monde. Cette industrie est demeurée une composante fondamentale de l'économie canadienne jusqu'à l'émergence des technologies électroniques au début des années 2000.  Pour s'adapter avec la nouvelle réalité, l'industrie des pâtes et papier devra pouvoir rénover son modèle d'affaire afin de diversifier son portfolio de produits et de varier ses sources de revenus.  L'extraction de la lignine à partir de la liqueur usée de cuisson dans une usine de P&P s'avère une voie potentiellement rentable pour convertir un résidu du procédé en bénéfice. La lignine est produite en quantité excédant 50 Mtonnes dans le monde chaque année. De nombreuses études examinent la possibilité de transformer ce polymère naturel en divers produits à valeur ajoutée tels que, les fibres de carbone, le charbon actif, les adhésifs, les phénols dans le but de trouver des substituants aux produits dérivés du pétrole tout en créant une nouvelle richesse pour les usines.   Plusieurs méthodes d'extraction de la lignine ont été développées au cours des dernières années. En effet, la dissolution de la lignine dans la liqueur noire est liée au pH. La lignine se retrouve dissoute avec un pH fortement alcalin et commence à précipiter lorsque le pH diminue en bas de 10.9. C'est pourquoi les méthodes d'extraction reposent sur l'acidification de la liqueur noire.   Une méthode novatrice d'électrodialyse à membrane bipolaire commence à être étudiée de plus en plus à travers le monde. Cette méthode présente des avantages importants par rapport aux différentes méthodes d'extraction disponibles. Cependant, plusieurs limitations empêchent l'opération prolongée de l'électrodialyse et réduisent l'efficacité de la cellule. La limitation majeure est l'encrassement de la membrane. Il s'agit d'un phénomène de déposition des particules de lignine précipitée sur la surface de la membrane causant ainsi une augmentation dans la résistance électrique dans la cellule et force l'arrêt éventuel de l'opération. Il est donc primordial de pouvoir trouver une solution pour remédier à l'encrassement de la membrane dans l'objectif d'aller vers l'avant avec le développement de cette technologie.   L'objectif général de ce projet de recherche est d'investiguer si l'hydrodynamique dans la cellule pourrait avoir une incidence sur l'encrassement de la membrane et conséquemment sur la durée d'opération de la cellule. Plusieurs étapes étaient nécessaires afin de pouvoir atteindre cet objectif. Tout d'abord, une cellule électrochimique à membrane bipolaire a été conçue et construite à partir de zéro. Par la suite, une caractérisation hydrodynamique détaillée a été réalisée à l'aide de certaines solutions références dans le but de mieux comprendre le comportement du fluide à l'intérieur de la cellule. Finalement, l'électrodialyse de la liqueur noire a été effectuée pour différents régimes d'écoulement.   Les résultats obtenus ont montré que la promotion de la turbulence dans la cellule a permis de prolonger la durée d'opération d'environ 25%. Ce résultat pourrait être expliqué à l'aide de la notion des couches limites de diffusion. En effet, durant les opérations membranaires, il y a une couche limite de diffusion qui se forme à la surface de la membrane. L'épaisseur de cette couche est liée au degré de turbulence près de la membrane. Plus la turbulence est importante, moins le serait l'épaisseur de la couche et vice-versa.   La principale recommandation pour des travaux futurs consiste à pousser l'analyse hydrodynamique de l'électrodialyse de la liqueur noire en régime turbulent dans le but de trouver des paramètres d'opération optimaux qui permettent de retarder voire d'empêcher l'encrassement de la membrane dans la cellule.  ABSTRACT: The Canadian Pulp and Paper industry has begun in the 1800s, and has undergone revolutionary evolution over the years. In 1990, Canada became the world's largest producer of pulp and paper in the world. This industry remained a fundamental component of the Canadian economy until the emergence of electronic technologies in the 2000s.   To adapt to the new reality, the pulp and paper industry will have to renovate its business model to diversify its product portfolio and to vary its sources of revenue.  The extraction of lignin from spent cooking liquor in a P&P plant is a potentially cost-effective way to convert a process residue into a profit. Lignin is produced in quantities exceeding 50 Mtonnes worldwide each year. Many studies are investigating the possibility of converting this natural polymer into various value-added products such as carbon fiber, activated carbon, adhesives, phenols in order to find substituents for petroleum products while creating a new wealth for the factory.  Several methods of lignin extraction have been developed in recent years. In fact, the dissolution of lignin in the black liquor is related to the pH. Lignin is dissolved in an alkaline pH and begins to precipitate as the pH decreases below 10.9. Therefore, the extraction methods are based on the acidification of the black liquor.  An innovative technology of bipolar membrane electrodialysis is beginning to be studied more and more around the world. This method has significant advantages over the different extraction methods available. However, several limitations prevent the prolonged operation of electrodialysis and reduce the efficiency of the cell. The major limitation is the membrane fouling. It is a phenomenon of deposition of precipitated lignin particles on the surface of the membrane thus causing an increase in the electrical resistance in the cell and the eventual stoppage of the operation. It is therefore essential to be able to find a solution to remedy the membrane fouling in order to go forward with the development of this technology.  The general objective of this research project is to investigate whether the hydrodynamics in the cell could have an impact on the fouling of the membrane and consequently on the duration of the operation. Several steps were needed to achieve this goal. First, a bipolar membrane electrochemical cell was designed and constructed from scratch. Subsequently, a detailed hydrodynamic characterization was carried out using some reference solutions to better understand the behavior of the fluid inside the cell. Finally, electrodialysis of the black liquor was performed for laminar and turbulent flow regimes.  The obtained results showed that the promotion of turbulence in the cell allowed the duration of operation to be extended by approximately 25%. This result could be explained by the concept of diffusion boundary layer. In fact, there is a diffusion boundary layer that forms on the surface of the membrane during membrane operations. The thickness of this layer is related to the degree of turbulence near the membrane. The greater the turbulence, the less is the thickness of the layer and vice versa.  The main recommendation for future work is to push the hydrodynamic analysis of black liquor electrodialysis in a turbulent regime in order to find optimal operating parameters that can delay or even prevent the membrane fouling in the cell.


identifier: Ahmadfard, M. (2018). A Comprehensive Review of Vertical Ground Heat Exchangers Sizing Models With Suggested Improvements  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract:
RÉSUMÉ
L'objectif principal de ce travail est d'améliorer les outils de dimensionnement pour les échangeurs géothermiques verticaux en proposant plusieurs changements à l'équation de dimensionnement classique de l'ASHRAE, en adaptant un logiciel de simulation horaire pour en faire un outil de dimensionnement et en proposant des cas tests permettant une comparaison inter-modèle.
Il est suggéré de changer l'équation classique de dimensionnement de l'ASHRAE à trois impulsions afin que les résistances thermiques effectives au sol soient évaluées en utilisant des facteurs de réponse thermique basés sur les g-functions. Les trois g-functions requises sont évaluées dynamiquement à chaque itération jusqu'à convergence vers la longueur de puits finale. De plus, il est montré que les g-functions peuvent être évaluées sans superposition temporelle de l'historique thermique des puits géothermiques. Une autre contribution de la présente étude est l'inclusion de g-functions de courte durée dans la détermination des résistances thermiques effectives au sol. Comme le montre cette étude, négliger les effets à court terme peut entraîner un surdimensionnement d'environ 10% pour un champ de puits de 12×10 lorsque les charges de pointes ont une durée d'une heure.
Dans la seconde partie de cette thèse, le modèle de stockage thermique par puits géothermique connu sous le nom de DST est combiné avec GenOpt, un programme d'optimisation générique, pour permettre le dimensionnement du champ géothermique à l'intérieur de TRNSYS, un outil de simulation de systèmes thermiques. La combinaison résultante peut prendre en compte la variation horaire du coefficient de performance (COP) des pompes à chaleur et optimiser la longueur, le nombre de puits et leur espacement simultanément.
Enfin, une comparaison inter-modèle est présentée. Premièrement, les modèles de dimensionnement actuels sont classés en cinq niveaux ((


identifier: Numan, A. B. (2018). Retroreflector and Multibeam Antenna for a Millimeter Wave Collision Avoidance System  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ La section efficace du radar (SER) pour des cibles automobiles a une réponse angulaire étroite. Une variation de plusieurs décibels par mètre carré (dBsm) peut également être observée avec un léger changement de l'orientation de la cible. La localisation de telles cibles est difficile pour un radar automobile. En outre, un matériel complexe est généralement nécessaire pour mettre en oeuvre un radar efficace, ce qui se traduit par des systèmes coûteux qui ne sont abordables que dans les véhicules haut de gamme. Cela défie l'objet d'un système de sécurité pour éviter les accidents de la route à grande échelle. Cette thèse présente une nouvelle balise d'amélioration de SER et une antenne multifaisceaux pour des applications de radar automobile. Ces composants peuvent éventuellement améliorer les performances d'un algorithme de super-résolution, et permettre le développement d'un radar d'évitement de collision automobile simple et peu coûteux. Une architecture de système simple et rentable est particulièrement importante dans la gamme de fréquences d'ondes millimétriques, allouée pour cette application, où les atténuations du signal et les coûts de dispositif sont significativement élevés. Les structures proposées dans cette thèse peuvent également trouver des applications dans d'autres applications en ondes millimétriques. Un système radar est analysé en étudiant les propriétés de l'algorithme de super-résolution bien connu ESPRIT. Sur la base d'une simulation numérique MATLAB de cet algorithme, il est établi qu'une SER stable est importante pour l'utilisation de cet algorithme dans des applications automobiles. Ceci peut être réalisé en équipant la cible d'un marqueur d'amélioration de la SER. Deuxièmement, dans cet algorithme, la taille du réseau de récepteurs détermine le nombre de cibles détectables. En sectorisant le CdV du radar en utilisant une antenne multifaisceaux, l'erreur de localisation angulaire peut être réduite pour un plus grand nombre de cibles. La balise proposée est conçue à 77 GHz, fonctionnant dans la bande attribuée au radar automobile (76 GHz à 81 GHz). Les caractéristiques des radars automobiles dans la littérature suggèrent un CdV en forme de faisceau en éventail pour la balise avec un CdV plus large dans le plan azimutal. De CdV de 120o et 9o dans les plans d'azimut et d'élévation sont respectivement choisis comme critères de conception pour la balise proposée. La propriété de rétroréflexion dans le plan d'azimut aide à améliorer la SER de la balise. La balise proposée reflète le signal incident avec une rotation de polarisation linéaire de 90o. Cette modulation de polarisation permet d'améliorer la visibilité de la cible par rapport au bruit de fond. De plus, une modulation d'amplitude est également implémentée dans la balise.  ABSTRACT: Rear radar cross section (RCS) of automotive targets has a narrow angular response. A variation of several decibel per square meter (dBsm) can also be observed with slight change in the target orientation. Localization of such targets is challenging for an automotive radar. Furthermore, complex hardware is typically required to implement an effective radar resulting in high-cost systems that are affordable only in high-end vehicles. This defies the object of a safety system to avoid roadside accidents at large scale. This dissertation présents novel RCS enhancing tag and multibeam antenna for automotive radar applications. These components can possibly improve the performance of a super-resolution algorithm, and enable the development of a simple, low-cost automotive collision avoidance radar. Simple and costeffective system architecture is particularly important in millimeter wave frequency range, allocated for this application, where the material losses and device costs are significantly high. The proposed structures in this thesis can also find applications in other millimeter wave applications. A radar system is analyzed by studying the properties of Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique (ESPRIT), a well know super-resolution algorithm. Based on a MATLAB numerical simulation of this algorithm, it is established that a stable target RCS is important for employing this algorithm in automotive applications. This can be achieved by equipping the target with a RCS enhancing tag. Secondly, in this algorithm, the size of the receiver array determines the number of detectable targets. By sectoring the radar field of view (FoV) using a multibeam antenna, the localization error can be reduced for higher number of targets. The proposed tag is designed at 77 GHz, operating in the band allocated for automotive radar (76 GHz to 81 GHz). Automotive radar characteristics in the literature suggest a fan-beam shaped FoV for the tag with wider FoV in azimuth plane. Azimuth and elevation plane FoV of 120o and 9o are selected as design criteria for the proposed tag. Retroreflection property in the azimuth plane helps to improve the tag RCS. The proposed tag reflects the incident signal with 90o linear polarization rotation. This polarization modulation can enhance the target visibility against the background clutter. Additionally, an amplitude modulation is also implemented in the tag. This modulation can help to communicate additional information. It can also facilitate the target detection by improving the signal to noise ratio of the processed received signal.


identifier: Poitevin, F. (2018). Étude des contraintes thermomécaniques dans les revêtements multicouches utilisés en optique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec l'importance du rôle que jouent les filtres optiques dans un grand nombre d'applications technologiques vient naturellement la question de leurs résistances aux sollicitations mécaniques. Les filtres optiques sont souvent utilisés en tant qu'antireflet déposés sur la majorité des instruments d'optique, mais leur utilisation ne s'arrête pas là. Les filtres optiques sont généralement formés de plusieurs couches de matériaux différents (deux matériaux ou plus) avec des indices de réfraction différents déposés les uns sur les autres. Il a été montré que pour une lumière à incidence normale, le meilleur filtre optique, du point de vue de ses caractéristiques optiques, est celui avec la plus grande différence d'indice de réfraction entre les matériaux des couches utilisées. Toutefois, pour une incidence autre que normale, il arrive que le filtre optimal contienne des couches d'indice de réfraction intermédiaire. Dans certains cas, des gradients d'indice de réfraction sont aussi utilisés. Des techniques numériques sont généralement nécessaires à la conception de filtres optiques. Plusieurs méthodes automatisées de synthèse et l'optimisation des caractéristiques optiques des filtres existent. Par contre, très peu de logiciels sont disponibles pour optimiser les caractéristiques mécaniques des revêtements et il en existe encore moins pour les revêtements minces utilisés en optique. En effet, la méthodologie généralement utilisée pour optimiser les caractéristiques mécaniques des revêtements contient soit une étape expérimentale (dans la majorité des cas) ou une étape de simulation numérique (parfois utilisée à des fins de diagnostic). Dans ce mémoire je présente les résultats de mes recherches concernant l'automatisation de l'optimisation des caractéristiques thermomécaniques des filtres optiques et je présente un des diagnostics par simulation que j'ai effectués en collaboration avec nos partenaires industriels au LaRFIS. Mon objectif était d'avancer les travaux du LaRFIS sur l'optimisation automatisée des caractéristiques mécaniques des revêtements et d'avancer les connaissances sur des questions dans les domaines d'applications spécifiques. Il est prévu que mon travail sur l'optimisation automatisée des caractéristiques mécaniques des revêtements soit implémenté dans la version 2.0 du logiciel gratuit à code source ouvert OpenFilters fait au LaRFIS. OpenFiltres offre 4 méthodes de synthèse et d'optimisation : Refine, Needles, Steps et Fourier Transform method. La méthode Refine optimise le design approximatif initial de l'empilement fourni par l'utilisateur à l'aide d'algorithmes qui le modifie afin de satisfaire les exigences sur les caractéristiques optiques spécifiques. Les trois autres méthodes sont des méthodes de synthèse.  ABSTRACT: With the important role that optical filters play in a large number of technological applications comes naturally the question of their resistance to mechanical solicitations. Optical filters are abundantly used as anti-reflective coatings as they are deposited on the majority of optical instruments, but their use is not limited to that. Optical filters are generally made of several layers of different materials (two or more) with different refractive indices deposited in a stack. It has been shown that for light at normal incidence, the best optical filter, from the point of view of its optical characteristics, is the one with the largest difference in the refractive index between the materials of the layers used. However, for light with an incidence different from normal, the optimal filter may contain layers of intermediate refractive index. In some cases, gradients in the refractive index are also used. Numerical techniques are generally required for the design of optical filters. There are several automated methods to synthesize and optimize the optical characteristics of filters. On the other hand, very few softwares exist to optimize the mechanical characteristics of coatings, and even less for thin coatings used in optics. Indeed, the methodology generally used to optimize the mechanical characteristics of coatings contains either an experimental step (in most cases) or a numerical simulation step (sometimes used for diagnostic purposes). In this thesis I present the results of my research on the automated optimization of the thermomechanical characteristics of optical filters and I present one of the diagnostics by simulations that I did in collaboration with the industrial partners of the Functional Coating and Surface Engineering Laboratory (FCSEL). My objective was to continue the earlier work of the FCSEL on the automated optimization of mechanical characteristics of coatings and to advance this knowledge. My work on the automated optimization of the mechanical characteristics of coatings will be implemented in version 2.0 of OpenFilters - the open-source software developed at FCSEL. OpenFiltres offers 4 methods of synthesis and optimization: Refine, Needles, Steps and the Fourier Transform method. The Refine method optimizes the initial approximate design of the stack provided by the user using algorithms that modify it to satisfy the requirements on the optical characteristics specified by the user. The other three methods are related to the of synthesis. My work in collaboration with Stéphane Larouche (creator of OpenFilters) allowed the implementation of the optimization of thermal stresses at the interfaces between the layers and allowed the optimization of the thermo-mechanical characteristics of the optical filters with layers of intermediate index of refraction, optical filters with mixtures of materials as well as rugate filters.


identifier: Lompe, K. M. (2018). Magnetic Powdered Activated Carbon for Drinking Water Treatment  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En combinant la capacité d'adsorption du charbon actif en poudre (CAP) avec des nanoparticules d'oxyde de fer magnétiques (NP) on obtient un matériau composite prometteur, le CAP magnétique (CAPM). Le CAPM présente l'avantage de pouvoir être séparé de l'eau dans lequel il est en suspension au moyen de séparateurs magnétiques. Cette étape de séparation est essentielle pour re-circuler le CAPM dans le réacteur et permettre son utilisation à long terme, dans l'objectif d'épuiser complètement sa capacité d'adsorption ou d'augmenter l'âge du matériau jusqu'à sa colonisation. Un CAPM biologique (colonisé) permettrait d'éliminer certains polluants biodégradables. Jusqu'à présent, le CAPM a été étudié comme adsorbant pour différents contaminants tels que les métaux lourds, des colorants et quelques polluants organiques à l'état de traces.  ABSTRACT: Combining the high adsorption capacity of powdered activated carbon (PAC) with magnetic iron oxide nanoparticles (IONP), leads to a promising composite material, magnetic PAC or MPAC, which can be separated from water using magnetic separators. The possibility to separate the adsorbent from the suspension and to recirculate it into the reactor opens the door for the long-term use of PAC - either to fully exhaust its adsorption capacity or to increase the adsorbent age until the adsorbent particles are fully colonized. The adsorbent particles will then act as a growth support and contribute to the elimination of certain biodegradable pollutants. So far, MPAC has been studied as an adsorbent for various contaminants such as heavy metals, dyes and some organic trace pollutants


identifier: Girard, C. (2018). Modélisation et optimisation d'un procédé de traitement mécanique pour la valorisation d'un courant hétérogène de matières résiduelles solides  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le traitement mécanique des matières résiduelles hétérogènes solides comporte plusieurs défis au niveau de sa conception et de son optimisation. Une installation de production de combustible dérivé de déchets (CDD) doit être conçue de façon à produire un CDD aux propriétés suffisamment homogènes pour répondre aux critères de qualité du débouché de valorisation tout en minimisant le coût de traitement. L'efficacité de traitement des équipements dépend des paramètres de design et d'opération de même que des propriétés physico-chimiques des matières alimentées. Le choix de la séquence de traitement doit donc reposer sur une analyse robuste. La modélisation est un outil utile pour prédire la faisabilité technique d'un projet et sa rentabilité. L'objectif principal de ce mémoire est de développer un outil d'optimisation d'un procédé de traitement mécanique et l'appliquer au cas des rejets du centre de tri de la Ville de Montréal pour étudier leur valorisation en cimenterie (CRH Canada, Joliette). Les opérations de traitement (broyeur à marteaux, crible rotatif, séparateur magnétique, séparateur par courant de Foucault, classificateur à air, trieur optique) sont d'abord paramétrées en se basant sur des modèles mathématiques disponibles dans la littérature. Les propriétés (granulométrie, forme, masse volumique, pouvoir calorifique) et la composition des flux nécessaires à la modélisation sont établies à partir d'études de caractérisation. Les modèles développés sont validés en comparant les résultats obtenus avec des résultats expérimentaux. Le modèle du broyeur est amélioré de façon à pouvoir simuler le broyage d'un courant de matières résiduelles de composition variable. Les résultats obtenus offrent une meilleure compréhension des paramètres impliqués dans la réduction de taille des matières résiduelles. La modélisation des flux de matières est ensuite couplée à un outil d'analyse économique qui évalue les coûts en fonction de la chaîne de traitement et de sa performance.  Finalement, l'outil évalue la séquence de traitement des rejets du centre de tri qui minimise le coût tout en produisant un CDD conforme aux critères de qualité de la cimenterie. Les résultats montrent qu'avec les critères actuels (teneur limite en chlore à 0,05 %), le traitement nécessaire pour produire un CDD conforme n'est pas économiquement viable. Si la cimenterie augmente la teneur limite en chlore à 0,3 %, une chaîne de traitement composée d'un tri manuel, deux séparateurs par courant de Foucault et un tri optique infrarouge pour le tri négatif du PVC permet d'atteindre les objectifs pour un coût estimé à 75 $\$$/t. Le coût rivalise avec celui de l'enfouissement (65 $\$$/t), la méthode de gestion actuelle de gestion des rejets.  L'outil comprend certaines limites, notamment au niveau des modèles utilisés. Dans le futur, il serait intéressant de réaliser des travaux expérimentaux pour paramétrer avec plus de détails les modèles et ainsi tenir compte de l'influence d'autres caractéristiques de la matière (teneur en eau, masse volumique, etc.). Afin d'évaluer la performance sur une base environnementale, il serait intéressant de combiner les modèles de traitement mécanique à des modèles de procédés de valorisation et coupler l'outil à des modèles d'analyse de cycle de vie et d'évaluation des impacts.  ABSTRACT: The design and optimization of a mechanical treatment plant for mixed solid waste brings many challenges. A refuse derived fuel (RDF) production plant must be designed to meet final product requirements depending on the downstream recovery route and it must be optimized to minimize its cost. Each product flow resulting from a mechanical treatment plant is characterized by specific physicochemical properties that can be modified and controlled along the mechanical treatment sequence. Equipment efficiency depends on operation and design parameters as well as physicochemical properties of the material feed. Modelling of the mechanical treatment unit operations in waste processing plants provides a useful analysis tool to predict plant performance and profitability. The main objective of this work is to develop a tool for the optimization of waste mechanical treatment. The model serves as an analysis tool to study the production of RDF from a waste stream collected at a recycling sorting plant located in Montreal. The tool provides the optimal mechanical sequence i.e. the most cost-effective solution that allows the production of RDF that conforms to the quality requirements for waste co-processing in a cement plant (CRH Canada, Joliette). Mathematical models for mechanical unit operations (hammer mill, trommel, magnetic separator, eddy current separator, air classifier, optical sorter) based on a wide variety of operating parameters and material properties are developed from literature. The waste stream properties (size, shape, density, heating value) and composition are defined based on characterization studies. Modelling results are compared to experimental results to prove the validity of the models. Extensive work on the hammer mill allowed to develop a more flexible model able to simulate the size reduction of a waste stream of any composition. The results obtained offer a better understanding of the kinetic parameters that control the size reduction. An economic tool is developed to evaluate the cost performance of a given plant configuration. Lastly, the tool is used to solve the case study previously described. The results show that the alternative of producing a RDF instead of disposing the waste to landfill is not economically feasible with the actual quality constraints. The chlorine limit concentration value (0,05%) is indeed too strict. For a higher chlorine limit concentration value (0,3%), the optimal configuration consists of manual sorting, two eddy current separators and one near-infrared optical sorter for the removal of PVC. The estimated cost (75 $\$$/t) competes with the landfill tipping fee (65 $\$$/t).  The tool has certain limitations, particularly in terms of the models used. In the future, it would be interesting to carry out experimental work to parameterize the models in more detail and thus consider the influence of other characteristics of the waste material (water content, density, etc.). To evaluate performance on an environmental basis, it would be interesting to combine mechanical treatment models with recovery process models and to link the tool to life cycle analysis and impact assessment models.


identifier: Lakiza, V. (2018). Relationships Between Performance Measurement Systems, Intrapreneurial Culture and Innovation Capabilities: A Longitudinal Field Case Study  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Tandis que l'innovation est une source clé de succès à long-terme, les compagnies établies perdent souvent leurs Capacités d'Innovation au profit de l'efficacité opérationnelle. D'un côté, la Culture Corporative Intrapreneuriale a souvent été corrélée avec des Capacités d'Innovation élevées. D'un autre côté, les Systèmes d'Évaluation de la Performance (PMS) jouent un rôle dans les types de projets qui sont priorisés, et peuvent ainsi nuire à l'innovation. Cette étude explore les relations entre la Culture Intrapreneuriale, les PMS et les Capacités d'Innovation, un sujet rare dans la littérature. L'objectif est d'atteindre une meilleure compréhension des dynamiques transformationnelles requises pour aider une compagnie établie à redynamiser ses Capacités d'Innovation. Une approche de recherche inductive a été jugée appropriée pour cette étude puisque l'intention est de mieux comprendre des dynamiques humaines complexes. Un concept de recherche itérative, basé sur une combinaison de quatre stratégies de recherche ainsi que de multiples méthodes de collecte de données, a été développé pour aider à combler l'écart entre la pratique et la littérature sur le sujet de recherche. Le modèle ‘Niveaux de Perspective' a été utilisé pour organiser et analyser les données. Grâce à la stratégie de recherche intervention il a été possible d'expérimenter directement les défis principaux et les tensions liés à la redynamisation des Capacités d'Innovation dans une compagnie orientée vers l'exécution. Les défis principaux identifiés grâce à cette étude de cas sont : (1) l'aversion au risque, (2) la mentalité d'exécution, (3) le manque d'alignement interne, (4) le manque d'alignement environnemental, et (5) le bas niveau de maturité des processus d'innovation. Trois prérequis inter-reliés à une mise en œuvre réussie d'indicateurs de performance clés (KPIs) pour mesurer le succès des projets d'innovation ont été identifiés : (1) un niveau minimal de maturité des processus d'innovation, (2) l'alignement stratégique, et (3) l'engagement envers l'innovation. La méthodologie de la théorisation enracinée a été utilisée pour conceptualiser les observations terrain et développer quatre propositions de recherche et un cadre conceptuel qui pourraient être plus amplement explorés dans de futurs projets de recherche. La première proposition suggère qu'une compagnie orientée vers l'exécution qui introduit des objectifs stratégiques, PMS et systèmes de récompenses alignés avec l'innovation, pourrait stimuler des initiatives innovantes et supporter un développement futur de Capacités d'Innovation et d'une Culture Intrapreneuriale. La seconde proposition stipule qu'autrement les employés sont susceptibles de résister à la mise en oeuvre d'initiatives et mesures d'innovation, et de prioriser des KPIs orientés vers l'exécution même pour mesurer l'innovation, renforçant ainsi la culture orientée vers l'exécution et nuisant au développement de Capacités d'Innovation. De plus, certains apprentissages de cette étude suggèrent que lorsque l'objectif est de redynamiser les Capacités d'Innovation dans une compagnie orientée vers l'exécution, il est plus efficace de commencer par l'introduction de KPIs qui stimulent des comportements favorables à l'innovation plutôt que des KPIs qui visent à mesurer le succès des activités d'innovation (Proposition 3). Lorsque la compagnie atteint un niveau plus élevé de maturité des processus de gestion de l'innovation et développe une Culture plus Intrapreneuriale, la mise en oeuvre de KPIs pour mesurer la performance de l'innovation aura plus de chances de succès (Proposition 4). Cette étude se conclue avec une hypothèse qui pourrait être plus amplement explorée lors de recherches futures : différents types de KPIs sont appropriés pour différents niveaux de maturité des processus de gestion de l'innovation. Les contributions principales de cette étude sont les apprentissages sur les relations dynamiques entre la Culture Intrapreneuriale, les PMS et les Capacités d'Innovation qui ont été possibles grâce au design de recherche terrain unique utilisé.  ABSTRACT: While innovation is a key driver of long term success, established companies often lose their Innovation Capabilities for the sake of operational efficiency. On one hand, Intrapreneurial Corporate Cultures have often been correlated with high Innovation Capabilities. On the other hand, Performance Measurement Systems (PMS) play a role in the types of projects that are prioritized, and can hinder innovation. This study explores the relationships between Intrapreneurial Culture, PMS and Innovation Capabilities, a subject that is sparse in the literature. It aims to achieve a better understanding of the transformational dynamics required to help an established company rejuvenate its Innovation Capabilities. As the intent of this study is to better understand complex human dynamics, an inductive research approach was considered appropriate. An iterative research design with a combination of four research strategies and multiple data collection methods was developed to help bridge the gap between practice and literature on the research subject. The ‘Levels of Perspectives' iceberg model was used to help organize and analyze the data. As a result of the intervention-research strategy, it was possible to experience firsthand key challenges and tensions of the rejuvenation of Innovation Capabilities in an execution-oriented company. The key challenges identified through this Case Study are the company's (1) risk aversion, (2) execution mindset, (3) lack of internal alignment, (4) lack of environmental alignment, and (5) low level of maturity of innovation processes. Three interrelated prerequisites to the successful implementation of Key Performance Indicators (KPIs) to measure innovation success were identified: (1) minimal level of maturity of innovation processes, (2) strategic alignment, and (3) commitment to innovation. Grounded Research Theory was used to make sense of the field observations and provide four research propositions, as well as a conceptual framework that could be further explored in future research. Our first proposition suggests that an execution-oriented company that introduces well-aligned innovation-oriented strategic objectives, PMS and reward systems could stimulate innovation initiatives and support the future development of Innovation Capabilities and of an Intrapreneurial Culture. Our second proposition states that otherwise, the employees are likely to resist implementation of innovation initiatives and measures, and prioritize execution-oriented KPIs, even to measure innovation, further reinforcing the execution-oriented culture and impeding the development of Innovation Capabilities. Moreover, learnings from this study suggest that when the goal is to rejuvenate Innovation Capabilities in an execution-oriented company, it is more effective to begin with the introduction of KPIs that stimulate behaviours conducive to innovation rather than KPIs that aim to measure the success of innovation activities (Proposition 3). When the company reaches a higher level of innovation management process maturity and develops a more Intrapreneurial Culture, the implementation of KPIs to measure innovation performance will be more likely to succeed (Proposition 4). This study is concluded with a hypothesis that could be further explored in future research: different types of KPIs are appropriate for different levels of innovation process management maturity. This study's main contributions are the learnings on the dynamic relationships between Intrapreneurial Culture, PMS and Innovation Capabilities made possible by the unique field research design used.


identifier: Mosaferi, Z. (2018). Optimization of the Rate and Level of Porosity Generation in Electrode Films for Application in Batteries  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le but de générer de la porosité dans les électrodes poreuses des batteries Li-ion, le carbonate de propylène (PPC) a été utilisé comme phase sacrificielle. 3 catalyseurs (un générateur photo acide, un générateur d'acide thermique et un peroxyde) ont été rajoutés en faible fraction en masse à cette phase pour augmenter la vitesse de dégradation et leurs effets ont par la suite été étudiés. L'analyse thermogravimétrique (ATG) a montré que ces catalyseurs ne réduisent pas la température de décomposition du PPC.  Des composés contenant un liant, une phase sacrificielle et des ingrédients actifs ont alors été préparés par mélange à chaud et calandrés ensuite pour atteindre une épaisseur spécifique. Ces films ont été exposés à la radiation infra-rouge pour y générer de la porosité. Trois lampes infra-rouges avec différentes longueurs d'onde ont été testées et la lampe choisie est celle avec laquelle le plus haut taux de dégradation du PPC a été obtenue. Pour l'étape suivante, le temps et la température de dégradation ont été optimisés pour chaque échantillon. Les résultats obtenus ont montré que la lampe ayant la plage de longueurs d'onde la plus longue augmente le taux de décomposition du PPC et qu'il faut moins de temps pour la génération de la porosité. Un fois cette partie complétée, la porosité des films d'électrode a été étudiée par microscopie électronique à balayage (MEB), porosimétrie par intrusion de mercure (PIM) et par la méthode de saturation du solvant.  Les résultats de la MEB ont montré que la taille des pores dans les composés ayant le graphite comme ingrédient actif est plus importante que celle des autres composés avec des ingrédients actifs différents. La comparaison des résultats obtenus par la MEB et la PIM a montré que la caractérisation par MEB sous-estime la taille des pores et la porosité totale. La porosité totale a été déterminée également par la méthode de saturation du solvant et les résultats ont concordés avec ceux de la PIM.  ABSTRACT: For porosity generation in porous electrodes of Li-ion batteries, polypropylene carbonate (PPC) as a sacrificial phase was used. To increase degradation rate of the sacrificial phase, 3 catalysts (a photo acid generator, a thermal acid generator and a peroxide) in low weight fractions, were separately added to the PPC and their effect was studied. Thermogravimetric analysis (TGA) tests showed that none of these catalysts could decrease the decomposition temperature of PPC.  Then, a compound containing a binder, a sacrificial phase and active ingredients was prepared by hot mixing. After mixing, the final compounds were calendered to reach a specific thickness. These films were exposed to infrared radiation to generate porosity in it. 3 infrared lamps with different wavelength ranges were initially used and one of them, for which the highest degradation rate of PPC was obtained, was chosen. In the next step, time and temperature of degradation for each sample was optimized for that wavelength. The results showed that the lamp with the longest wavelength range, increases the decomposition rate of PPC and less time is needed for porosity generation.   After this part was completed, porosity of electrode films was studied using scanning electron microscopy (SEM), mercury intrusion porosimetry (MIP) and solvent saturation method. The results of SEM showed that the pore size in the compounds containing graphite as active ingredient is larger than other compounds with other active ingredients. Comparing SEM and MIP results showed that SEM underestimates the pore size and total porosity. By solvent saturation method, the total porosity was calculated and was in agreement with MIP results.


identifier: Rokbani, H. (2018). Élaboration de nouveaux matériaux nanocomposites antibactériens à base de nanoparticules d'oxyde de zinc  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Il y a de plus en plus d'intérêt dans l'utilisation d'emballages intelligents ou actifs capables de répondre aux demandes des producteurs et des consommateurs pour des produits plus sûrs, avec une durée de conservation plus longue et une qualité supérieure. Les nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO) sont apparues comme des candidates prometteuses pour une nouvelle génération de systèmes d'emballage alimentaire actif avec des propriétés antimicrobiennes. Ceci est dû à leur forte activité antibactérienne contre un large spectre de microorganismes d'origine alimentaire. Le ZnO est stable dans des conditions de mise en forme exigeantes, rentable et est reconnu comme un matériau sûr (GRAS) par la FDA (Food and Drug Administration). Cette thèse vise à développer des matériaux polymères antibactériens à base de ZnO par deux procédés différents qui sont le procédé d'électrofilage et le revêtement ainsi que l'évaluation des propriétés antibactériennes des nanocomposites développés. La première partie de ce travail s'est intéressée à l'étude de l'activité antibactérienne (AAB) des suspensions de nanoparticules de ZnO pures et de silice mésoporeuse dopée au ZnO (ZnO-UVM-7) ainsi que celle des nanofibres électrofilées contenant ces nanoparticules. Les propriétés antibactériennes ont également été évaluées en termes de concentration minimale inhibitrice (CMI) et de concentration minimale bactéricide (CMB) en présence de certains prétraitements (stérilisation et vibrations ultrasonores). La morphologie des nanofibres développées a été analysée par microscopie électronique à balayage (MEB), et la quantité de nanoparticules contenue dans les nanofibres a été analysée par analyse thermogravimétrique (ATG). L'activité antibactérienne des nanofibres d'acide polylactique (PLA) a été évaluée par la méthode dynamique selon la norme ASTM E2149 contre une bactérie à Gram-négatif (Escherichia coli (E. coli)). Les résultats ont indiqué un effet dépendant de la concentration sur la viabilité d'E. coli. Par ailleurs, la combinaison des vibrations ultrasonores et de la stérilisation a considérablement amélioré l'activité antibactérienne des suspensions de ZnO. Les nanofibres de PLA ont montré une morphologie fibreuse, avec un diamètre moyen allant de 350 à 450 nm, et leur activité antibactérienne a été réduite au-dessus d'une concentration seuil. La diminution de leur efficacité antibactérienne s'explique par la perte et l'agglomération de nanoparticules de ZnO lors du procédé de fabrication des nanofibres. La deuxième partie a examiné les propriétés rhéologiques des solutions de PLA utilisées dans le procédé d'électrofilage et l'évaluation morphologique des nanofibres produites. En effet, l'effet des nanoparticules de ZnO, ZnO-UVM-7, SiO2 et TiO2 a été étudié pour différentes solutions et solvants (2,2,2-trifluoroethanol (TFE) et chloroforme) de PLA pour comprendre la morphologie des nanofibres. Les résultats ont montré que les solutions de PLA et de TFE avec une faible teneur en ZnO présentaient une viscosité plus élevée que celle du PLA pur, mais montraient une valeur maximale à 3 % (p/p). Une teneur plus élevée en ZnO a provoqué une diminution notable de la viscosité des solutions qui a été attribuée à la dégradation du PLA. Alors qu'en présence de chloroforme, la viscosité des solutions de PLA augmentait en augmentant la teneur en ZnO. Les autres nanoparticules analysées formaient des suspensions stables en présence de TFE. Un mécanisme de dégradation plausible du PLA dans les solutions a également été présenté. Dans la troisième et dernière partie, une nouvelle approche simple pour enduire des films de polyéthylène à basse densité (LDPE) avec des nanoparticules de ZnO a été présentée. L'activité antibactérienne des films de LDPE a été évaluée vis-à-vis des bactéries Gram-positif et Gram-négatif. Les tests antibactériens ont prouvé que les films enduits de ZnO présentaient une inhibition considérable contre E. coli et Staphylococcus aureus (S. aureus). Les images MEB ont montré que l'utilisation de résine de LDPE modifiée par l'anhydride maléique (LDPE-g-AM) a permis d'améliorer la distribution des nanoparticules de ZnO sur la surface des films de LDPE, réduire la taille des agglomérats et renforcer la liaison de ZnO à la surface du film de LDPE. Les résultats ont également prouvé que les films recouverts conservaient leur efficacité antibactérienne envers E. coli même après 8 mois avec un taux de réduction supérieur à 99.9 %. Pour conserver une activité antibactérienne considérable, il est recommandé de laminer les films enduits avec une couche de polymère pur dont l'épaisseur ne dépasse pas 8 µm. Cette approche de revêtement a permis d'obtenir une efficacité antibactérienne considérable des nanoparticules de ZnO qui était totalement absente dans le cas où les nanoparticules de ZnO étaient mélangées avec le polymère à l'état fondu.  ABSTRACT: Interest has been growing recently in the use of intelligent or active packaging that can meet producers and consumers demands for safer products with longest shelf lives and higher quality. Zinc oxide (ZnO) nanoparticles have emerged as promising candidates for a new generation of active food packaging systems with antimicrobial properties particularly due to their strong antibacterial activity against a broad spectrum of food-borne microorganisms. ZnO is stable under harsh processing conditions, cost-effective and is generally recognized as safe materials (GRAS) by the FDA (The Food and Drug Administration).  This thesis aims at developing ZnO-based antibacterial materials by two different processes which are the electrospinning process and coating, as well as the evaluation of the antibacterial properties of the nanocomposites developed. The first part of this work focused on the investigation of the antibacterial activity (ABA) of suspensions of pure ZnO nanoparticles and mesoporous silica doped with ZnO (ZnO-UVM-7) as well as electrospun polylactic acid (PLA) nanofibers containing those nanoparticles. The antibacterial properties were also evaluated in terms of minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) with some pretreatments (sterilization and ultrasound vibrations). The morphology of the developed nanofibers mats was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and the amount of nanoparticles contained in the mats was analyzed by thermogravimetric analysis (TGA). The ABA of the PLA mats was assessed by the dynamic method according to the ASTM standard E2149 against a Gram-negative bacteria (Escherichia coli (E. coli)). The results indicated a concentration-dependent effect on the viability of E. coli. Besides, the combination of the ultrasound stimulations and sterilization has considerably enhanced the ABA of the ZnO suspensions. PLA mats showed a fibrous morphology, with an average diameter ranging from 350 to 450 nm and their ABA was reduced above an optimal concentration. The decrease in their antibacterial efficiency was explained by the loss and agglomeration of ZnO nanoparticles. The second part examined the rheological properties of PLA solutions used in the electrospinning of the PLA nanofibrous mats and their morphological evaluation. In fact, the effect of ZnO, ZnO-UVM-7, SiO2 and TiO2 nanoparticles was investigated for various PLA solutions and solvents (2,2,2-trifluoroethanol (TFE) and chloroform) to understand the achieved morphology of the nanofibers. The results showed that PLA and TFE solutions with low loading level of ZnO nanoparticles exhibited higher viscosity than neat PLA ones, with a maximum value at 3 wt %. Higher content of ZnO caused a notable decrease in solutions viscosity which was attributed to PLA degradation. In the presence of chloroform, the viscosity of the PLA solutions increased always by increasing ZnO content. The others nanoparticles analyzed formed stable suspensions in the presence of TFE. A plausible degradation mechanism of PLA in TFE solutions was also presented.  In the third and last part, a new and simple approach to coat linear low density polyethylene (LDPE) films with ZnO nanoparticles was presented. The ABA of LDPE films were evaluated toward Gram-positive and Gram-negative bacteria. The antibacterial test proved that ZnO coated films showed considerable inhibition against E. coli and Staphylococcus aureus (S. aureus). SEM images showed that the use of anhydride-modified LDPE (LDPE-g-AM) resin allowed an improvement in the distribution of ZnO nanoparticles on the surface of LDPE films, reduced the size of agglomerates and reinforced the bonding of ZnO nanoparticles to the surface of LDPE film. The results also proved that the coated films retained their antibacterial efficiency toward E. coli, even after 8 months, with a reduction rate higher than 99.9 %. To keep a considerable antibacterial activity, it is recommended to laminate the coated films with a neat LDPE layer whose thickness does not exceed 8 µm. This coating approach guaranteed a good antibacterial property of the ZnO nanoparticles that were absent in the case where they were compounded with the polymer in the melt state.


identifier: Fronteddu, P. G. (2018). Considération de la torsion accidentelle pour la conception parasismique des bâtiments selon le CNB  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Lors d'un tremblement de terre la réponse des éléments du système de résistance aux forces sismiques (SRFS) d'un bâtiment est grandement affectée par le moment de torsion global. Ce moment de torsion se divise en deux catégories. La première est la torsion naturelle et résulte de l'excentricité naturelle soit la distance entre le centre de rigidité (CR)et le centre de masse (CM). La seconde est la torsion accidentelle. Celle-ci regroupe tous les phénomènes susceptibles d'induire une amplification de la torsion naturelle. Ces phénomènes incluent principalement l'incertitude liée à la position exacte du CM et du CR, la présence d'une sollicitation sismique en rotation et la plastification asymétrique des éléments du SRFS.  ABSTRACT: During an earthquake, the response of the seismic force resisting system (SFRS) of a building is greatly affected by the overall torsional moment. This moment is divided into two categories. The first is the natural torsion and results from the natural eccentricity which is defined as the distance between the center of rigidity (CR) and the center of mass (CM). The second category is the accidental torsion. It is caused by the uncertainty related to the exact position of CM and CR, the presence torsional ground motion during and the asymmetric yielding of SRFS elements.


identifier: Saadi, C. (2018). Ré-optimisation de l'horaire de travail d'employés en surtemps  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de chaque entreprise est de maximiser ses profits ou d'offrir un service de qualité à moindre coût. L'entreprise cherche alors à générer des horaires de travail de ses employés qui couvrent la demande de sa clientèle tout en respectant les règlementations et les conventions collectives. L'entreprise cherche aussi à générer des horaires de travail qui couvrent la demande de sa clientèle tout en offrant un service de qualité. Ainsi, les problèmes de construction d'horaires de personnel ont été étudiés depuis plusieurs décennies en recherche opérationnelle. Suite à une perturbation de la demande, il est possible que l'horaire généré une semaine plus tôt avec une certaine prévision de demande ne soit plus valable pour la nouvelle demande observée le jour même. Par exemple, un changement climatique non prévu peut diminuer  considérablement la demande. Dans le sens contraire, une demande plus élevée que celle prévue au début de la semaine nécessite plus de quarts de travail que ceux déjà planifiés pour la couvrir. Dans les deux cas, il faut mettre à jour l'horaire pour répondre au mieux à cette demande. Cette mise à jour est souvent effectuée en temps réel et peut faire en sorte que le quart d'un employé est allongé ce qui l'amène en surtemps, augmentant ainsi son salaire horaire pour le temps supplémentaire accumulé tout au long d'une semaine. En fin de journée, lorsque le gérant dispose de plus de temps pour revoir les horaires, une ré-optimisation des horaires peut être faite pour éviter le temps supplémentaire engendré en cours de journée. Ce projet de maîtrise répond à ce problème de ré-optimisation de l'horaire de personnel qui tombe en surtemps. Nous nous plaçons dans le domaine de vente au détail où l'horaire est non continu. Pour résoudre le problème, nous proposons une méthode exacte basée sur un modèle linéaire en nombres entiers et deux méthodes heuristiques en deux phases qui consistent à résoudre un programme linéaire en nombres entiers de taille réduite en limitant le nombre de quarts de travail que nous générons et ainsi accélérer le temps de résolution. Pour chaque méthode de résolution, nous introduisons deux approches. Chaque approche est basée sur la résolution d'un ou plusieurs programmes linéaires en nombres entiers. La première est une approche séquentielle dans laquelle les employés en surtemps sont traités l'un après l'autre et la deuxième est une approche simultanée où les employés en surtemps sont traités tous à la fois. Nous présentons ensuite différents types de transformations possibles pour les quarts. Avec ces transformations effectuées sur les quarts d'un horaire initial, nous générons des nouveaux quarts modifiés qu'on appelle quarts proposés. Enfin, nous définissons une structure de coût adaptée à la ré-optimisation. Cette structure pénalise toute modification de l'horaire. L'analyse des solutions obtenues après avoir effectué des tests sur des jeux de données réels montrent qu'on est arrivé à enlever le surtemps et améliorer les coûts des solutions initiales. En outre, l'utilisation des deux heuristiques accélère le temps de calcul mais dégrade légèrement la qualité de la solution.  ABSTRACT: Each company is looking to generate work schedules that cover the demand of its customers while offering a service of quality and being sure to enforce the regulations and collective agreements.  However, due to some unpredictable demand variation, it is possible that the schedule planned a week ahead with some demand forecast is no longer valid for the new demand observed the same day. For example, a higher demand than scheduled a week earlier requires more shifts than those already planned. In this case, the schedule needs to be updated to meet this request. This update is often done in real time by extending some employees' shifts which brings them into overtime, thus increasing their salary for additional time accumulated throughout a week. At the end of the day, a schedule re-optimization can be made to avoid the extra time generated during the day. This master's thesis is responding to this shift rescheduling problem. We deal with a noncontinuous retail environment. To solve the problem, we propose an exact method based on an integer programming model and two two-phase heuristic methods that consist in solving a reduced-sized integer linear program by limiting the number of generated shifts and thus reduce the computational time. For each solution method, we introduce two approaches. Each approach is based on solving one or more linear integer programs. The first is a sequential approach in which employees with overtime are treated one after other and the second is a simultaneous approach where these employees are treated all at once. We then present different types of possible shift transformations to generate new modified ones called proposed shifts. Finally, we define a cost structure adapted to the re-optimization. This structure penalizes every schedule modification. After performing tests on real datasets, we analyze the computed solutions to show that we have succeeded in removing overtime and improving the initial solutions costs. In addition, we observe that both heuristics speed up the computation time but slightly degrades the solution quality.


identifier: Razavet, A. (2018). Sélection et étalonnage des mouvements sismiques pour les études de sécurité des barrages-poids situés dans l'Est du Canada  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Selon la loi sur la sécurité des barrages du Québec, il est permis d'utiliser les données de la commission géologique du Canada (CGC) pour définir l'aléa sismique susceptible d'affecter la réponse sismique des ouvrages. Les données de la CGC sont reprises par le code national du bâtiment du Canada (CNB). L'annexe J du CNB donne les principales lignes directrices quant à la sélection et l'étalonnage des sollicitations sismiques à utiliser pour les analyses dynamiques. Le CNB est développé pour les bâtiments qui possèdent, le plus souvent, des caractéristiques dynamiques différentes de celles des barrages en béton qui ont de courtes périodes de vibration.  ABSTRACT: According to the Quebec dam safety legislation, it is allowed to use the data from the geological survey of Canada (GSC) to define the seismic hazard likely to affect the seismic response of structures. The GSC data are used by the national building code of Canada (NBCC). Appendix J of the NBCC gives the main guidelines as for selection and scaling of ground motions to use in dynamic analyses. The NBCC is developed for buildings that have most often dynamic characteristics different from those of the concrete dams which have short periods of vibration.