identifier: Hardy, E. (2020). Échantillonnage spatiotemporel parcimonieux pour l'angiographie de localisation ultrasonore compressée du cerveau à faible coût  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours de la dernière décennie, la microscopie de localisation ultrasonore (ULM) a permis d'imager le système vasculaire cérébral in vivo comme jamais auparavant, avec une résolution d'environ dix microns. Cependant, avec une cadence d'imagerie pouvant atteindre 20.000 images par seconde, cette méthode nécessite l'acquisition, la transmission, le stockage et le traitement d'une grande quantité de données. Chacune de ces étapes peut devenir difficile sans les ordinateurs et échographes adaptés à cette application. Nous proposons ici une nouvelle méthode de reconstruction, baptisée Sparse-ULM, pour diminuer cette quantité de données et la complexité du matériel nécessaire, en sous-échantillonnant de manière aléatoire les canaux d'une sonde linéaire. L'évaluation des performances de la méthode ainsi que l'optimisation des paramètres ont été principalement réalisées in silico dans un fantôme anatomiquement réaliste, puis comparées aux acquisitions sur un cerveau de rat avec craniotomie. La réduction du nombre d'éléments actifs en réception détériore le rapport signal à bruit des données post reconstruction et peut conduire à de fausses détections de microbulles, diminuant le contraste des angiogrammes obtenus. Cependant, cela n'impacte que faiblement la précision de localisation des microbulles. Ces résultats montrent qu'il est possible de trouver un compromis entre le nombre de canaux et la qualité du réseau vasculaire reconstruit, et démontrent la faisabilité de réaliser la microscopie de localisation avec un nombre de canaux en réception considérablement réduit, ouvrant la voie à des dispositifs peu coûteux permettant une cartographie vasculaire à haute résolution.  ABSTRACT: Over the past decade, Ultrasound Localisation Microscopy (ULM) has made it possible to image cerebral vasculature in vivo as never before, with a resolution of about ten microns. However, with frame rate up to 20.000 frames per second, this method requires large amount of data to be acquired, transmitted, stored, and processed. Each of these steps can become challenging without computers or ultrasound scanners provided for this application. Herein, we propose a novel reconstruction framework, named Sparse-ULM for decrease this quantity of data and the complexity of the required hardware by randomly sub-sampling the channels of a linear probe. Method's performance evaluation as well as parameters optimization were mainly performed in silico in an anatomically realistic phantom and then compared to the acquisitions on a rat brain with craniotomy. Reducing the number of active elements deteriorates the signal-to-noise ratio of post-beamforming data, and could lead to false microbubbles detections, decreasing the contrast of the angiograms obtained. However, it has little effect on localization accuracy of microbubbles. These results show that a compromise can be found between the number of channels and the quality of the reconstructed vascular network, and demonstrate feasibility of performing ULM with a drastically reduced number of channels in receive, paving the way for low-cost devices enabling high-resolution vascular mapping.


identifier: Blais, S. (2020). Méthode de suivi du champ de pression d'un transducteur ultrasonore focalisé à haute intensité pour l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Avec le vieillissement de la population, la prévalence d'affections neurologiques au sein de la population est en pleine croissance. La grande majorité de ces affections touche principalement le système nerveux central et peut provoquer divers symptômes affectant grandement la qualité de vie des patients atteints de ces maladies. Bien que certaines maladies, telles que l'Alzheimer, le Parkinson et la maladie d'Huntingdon, pourraient bénéficier de traitements par voie médicamenteuse, il est très difficile de traiter ces maladies dues à la quasi-incapacité des molécules thérapeutiques à se rendre et à agir sur le cerveau. Cette difficulté provient principalement de la présence d'une barrière biologique, nommée la barrière hémato-encéphalique, qui empêche plus de 98% des molécules thérapeutiques actuellement disponibles de se rendre au parenchyme cérébral. Bien que plusieurs méthodes existent afin de contourner cette protection intrinsèque à notre cerveau, celles-ci sont non spécifiques et peuvent provoquer plusieurs effets non désirés tels que des infections ou des effets hors cible. Toutefois, il a récemment été démontré qu'il était possible d'ouvrir la barrière hémato-encéphalique de façon non-invasive, temporaire et localisée grâce à l'utilisation d'ultrasons focalisés conjointement à l'injection de microbulles dans la circulation sanguine.  Ainsi, avec l'intérêt croissant envers les interventions cliniques minimalement invasives et de courtes durées, l'intérêt pour les interventions par ultrasons focalisés connaît un essor fulgurant. Bien que la faisabilité de l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique par ultrasons focalisés ait été démontrée en clinique, les techniques d'imagerie pour faire le suivit de ces traitements possèdent des lacunes majeures et n'assure pas le résultat, ce qui ralentit par le fait même le développement de ces traitements.   Le caractère non destructif de cette méthode repose principalement sur les interactions entre la propagation du champ de pression des ultrasons focalisés et les microbulles, causant par le fait même l'oscillation (cavitation) volumétrique des microbulles. Les phénomènes mécaniques résultant de ces interactions permettent l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique lorsque des conditions bien spécifiques sont atteintes. Ces conditions peuvent être affectées par une multitude de facteurs tels que la présence d'aberrations, la concentration spatiale en microbulles, la fréquence du transducteur utilisé, la variation de la température locale, etc. Il est donc nécessaire d'avoir une modalité d'imagerie permettant de faire un suivi spatiotemporel du champ de pression nécessaire à l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Ce mémoire a pour objectif de faire la preuve de concept d'une nouvelle modalité d'imagerie ultrasonore pouvant répondre à ces différents besoins cliniques afin d'assurer un suivi du traitement de l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique par ultrasons focalisés. La modalité d'imagerie développée lors de cette maîtrise, nommée Equivalent Time Acoustic Cavitation Imaging (ETACI), permet ainsi de caractériser spatiotemporellement l'intensité de l'oscillation stable des microbulles causée par le champ de pression du transducteur focalisé simultanément à l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Comme cette cartographie reflète directement l'intensité du champ de pression du transducteur focalisé, nous sommes en mesure de réaliser indirectement des cartes du champ de pression.  Les résultats obtenus in vitro sur différents types de fantômes et in vivo sur une souris lors d'un traitement d'ouverture de la barrière hémato-encéphalique sont convaincants et démontrent le potentiel de la méthode. De ces résultats, il semblerait que cette modalité d'imagerie pourrait non seulement servir à faire le suivi de chirurgies non invasives par ultrasons focalisés couplés aux microbulles mais également à caractériser le champ de pression de transducteurs ainsi qu'à augmenter le contraste d'imagerie ultrasonore.  ABSTRACT: Neurological disorders are on the rise due to an increase in older demographics worldwide. Acting mainly on the central nervous system, they can cause various symptoms that considerably decrease the quality of life of the affected individuals. For instance, some patients with Alzheimer's, Parkinson's and Huntington's disease, could benefit from drug treatment.  However, many promising therapeutics cannot access the brain cells due to the presence of a biological protection called the blood-brain barrier. It will prevent over 98% of currently available therapeutic molecules from reaching the parenchyma. Although several solutions exist for bypassing the blood-brain barrier, they remain non-specific and can cause several side effects such as infections, epileptic seizures and off-target effects. Recently, the use of focused ultrasound combined with the injection of microbubbles into the blood stream has shown promise for opening the blood-brain barrier in a transient non-invasive manner. With growing interest in minimally invasive and short-term clinical interventions, focused ultrasound procedures are thriving. Although the feasibility of this technique has been proven, imaging modalities to monitor the treatments have major shortcomings, hence the difficulty with the development of these treatments.  The non-destructive aspect of this method is mainly based on the interactions between the propagation of the pressure field of the focused ultrasound and the microbubbles. The resulting mechanical phenomenon leads to apparent, damage-free, reversible blood-brain barrier disruption when specific conditions are reached. The presence of aberrations, microbubble spatial concentration, transducer frequency and local temperature variations are amongst the many factors that can contribute to variations in the expected results. Herein, this thesis demonstrates the proof of concept of a new ultrasound imaging modality that fulfills the different clinical needs to provide monitoring for focused ultrasound induced blood-brain barrier opening treatment. The imaging modality developed during this study, called Equivalent Time Acoustic Cavitation Imaging (ETACI), makes it possible to spatiotemporally map the microbubble's stable cavitation events. As this mapping is correlated to the focused transducer pressure field intensity, we can generate qualitative pressure maps of the sonicated medium. The results obtained during this study on different phantoms in vitro and on a mouse during focused ultrasound induced blood-brain barrier opening treatment are convincing to demonstrate the potential of this method. This imaging modality is also potentially useful for the characterization of transducer pressure fields and for increasing contrast in ultrasound imaging.


identifier: Bahrami Torabi, H. (2020). Finite Element Model to Investigate the Dynamic Instability of a Rectangular Plate Subjected to Supersonic Airflow  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, une méthode numérique est présentée pour étudier le comportement dynamique d'une plaque rectangulaire isotrope soumise à des charges aérodynamiques induites par un flux d'air supersonique parallèle. Un modèle d'éléments finis, basé sur des fonctions de déplacement polynomiales bidimensionnelles et sur la théorie des pistons linéaires, est utilisé pour étudier le comportement dynamique de la plaque solide couplée avec charges aérodynamiques. L'approche développée est capable de modéliser des plaques plates et des coques peu profondes dans lesquelles le couplage fluide-structure à l'interface est appliqué de manière synchrone sur la base d'une méthode monolithique. La raideur élémentaire et l'amortissement obtenus à partir de la charge aérodynamique sont couplés avec à ceux obtenus à partir du modèle structurel et ils sont calculés par intégration analytique. En assemblant les matrices élémentaires, nous obtenons les matrices globales de masse, d'amortissement et de raideur de notre plaque puis nous pouvons écrire les équations dynamiques régissant notre problème. Les valeurs propres du système sont calculées selon la méthode réduite. La pression aérodynamique non dimensionnelle critique du flux d'air induisant le flottement de la structure est déterminée pour diverses conditions aux limites et géométries. Les résultats obtenus sont comparés aux travaux de recherche publiés et un très bon accord a été souligné.  ABSTRACT: In this thesis, a numerical method is presented to study the dynamic behaviour of an isotropic rectangular plate subjected to aerodynamic loads induced by parallel supersonic airflow. A finite element model, based on bi-dimensional polynomial displacement functions and linear Piston theory, is used to study the dynamic behaviour of the solid plate coupled with aerodynamic loads. The developed approach is capable to model flat plates and shallow shells in which the fluid- structure coupling at the interface is applied synchronously based on a monolithic method. The stiffness and damping obtained from aerodynamic load are coupled with those obtained from structural model and they are calculated using analytical integration. By assembling the matrices, we obtain the global mass, damping and stiffness matrices for our plate and then we can write the dynamic equations governing our problem. The eigenvalues of the system are calculated using reduced method. The critical non-dimensional aerodynamic pressure of the airflow inducing flutter of the structure is determined for various boundary conditions and geometries. The obtained results are compared with the published research works and a very good agreement is obtained.


identifier: Ali, M. S. (2020). Two Dimensional Compressible Flow Solver for Moving Geometries Using Immersed Boundary Method  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La méthode des frontières immergées (IB) a été mise en œuvre avec un certain succès pour différentes applications, y compris les géométries mobiles et stationnaires. Les travaux actuels portent sur l'extension de la méthode IB au traitement du déplacement des géométries pour les applications à écoulements compressible. En effet, pour les frontières mobiles, la mise en œuvre de l'approche IB comprend le changement du type de cellules, solide vers fluide, ce qui complexifie la méthodologie car il y a un manque dans l'historique de la solution numérique pour ces cellules. Afin de résoudre à cette problématique, deux approches sont disponibles dans la littérature. La première approche repose sur l'extrapolation des variables sur les cellules solides adjacentes (cellules fictives). La deuxième approche utilise la reconstruction de la solution toujours dans la région fluide. Un autre aspect de l'implémentation de la méthode IB est la représentation correcte d'une partie ou la totalité de la géométrie, en particulier lorsque l'échelle géométrique est inférieure à celle du maillage. Ce problème a été identifié et résolu pour les géométries stationnaires.  ABSTRACT: Immersed Boundary (IB) methods have been successfully implemented for different appli- cations including moving as well as stationary geometries. Present work focuses on the implementation of IB method for moving geometries for compressible flow cases. IB imple- mentation for moving boundaries includes the conversion of solid cells to fluid cells, which makes the problem a challenging one because of the abnormal values of the derivatives of pressure and velocity for the cells being converted. In order to solve this problem, mainly two different groups of methods are available. The first group of methods relies on extrapolating the variables on the adjacent solid cells(Ghost Cells) and the second group deals only with the interpolation in the fluid region. Another aspect of IB method implementation is the proper identification of the geometry or a part of the geometry, especially when the size of the geometry is smaller than the mesh size. This problem has been identified and solved for stationary geometries.


identifier: Degue, K. H. (2021). Secure and Privacy-Preserving Cyber-Physical Systems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse de doctorat, nous étudions le problème de conception d'estimateur et de commande préservant la confidentialité de données dans un système multi-algent composé de systèmes individuels linéaires incertains ainsi que le problème de conception d'attaques furtives et d'estimateurs résilients aux attaques dans les système cyber-physiques. Les systèmes de surveillance et de commande à grande échelle permettant une infrastructure de plus en plus intelligente s'appuient de plus en plus sur des données sensibles obtenues auprès d'agents privés. Par exemple, ces systèmes collectent des données de localisation d'utilisateurs d'un système de transport intelligent ou des données médicales de patients pour une détection intelligente d'épidémie. Cependant, les considérations de confidentialité peuvent rendre les agents réticents à partager les informations nécessaires pour améliorer les performances d'une infrastructure intelligente. Dans le but d'encourager la participation de ces agents, il s'avère important de concevoir des algorithmes qui traitent les données d'une manière qui preserve leur confidentialité. Durant la première partie de cette thèse, nous considérons des scénarios dans lesquels les systèmes individuels sont indépendants et sont des systèmes linéaires gaussiens. Nous revisitons les problèmes de filtrage de Kalman et de commande linéaire quadratique gaussienne (LQG), sous contraintes de preservation de la confidentialité. Nous aimerions garantir la confidentialité differentielle, une définition formelle et à la pointe de la technologie concernant la confidentialité, et qui garantit que la sortie d'un algorithme ne soit pas trop sensible aux données collectées auprès d'un seul agent. Nous proposons une architecture en deux étapes, qui agrège et combine d'abord les signaux des agents individuels avant d'ajouter du bruit préservant la confidentialité et post-filtrer le résultat à publier. Nous montrons qu'une amélioration significative des performances est offerte par cette architecture par rapport aux architectures standards de perturbations d'entrée à mesure que le nombre de signaux d'entrée augmente. Nous prouvons qu'un pré-filtre optimal d'agrégation statique peut être conçu en résolvant un programme semi-défini. L'architecture en deux étapes, que nous développons d'abord pour le filtrage de Kalman, est ensuite adaptée au problème de commande LQG en exploitant le principe de séparation. A travers des simulations numériques, nous illustrons les améliorations de performance de notre architecture par rapport aux algorithmes de confidentialité différentielle qui n'utilisent pas d'agrégation de signal.  ABSTRACT: This thesis studies the problem of privacy-preserving estimator and control design in a multiagent system composed of uncertain individual linear systems and the problem of design of undetectable attacks and attack-resilient estimators for cyber-physical systems. Largescale monitoring and control systems enabling a more intelligent infrastructure increasingly rely on sensitive data obtained from private agents, e.g., location traces collected from the users of an intelligent transportation system or medical records collected from patients for intelligent health monitoring. Nevertheless, privacy considerations can make agents reluctant to share the information necessary to improve the performance of an intelligent infrastructure. In order to encourage the participation of these agents, it becomes then critical to design algorithms that process information in a privacy-preserving way. The first part of this thesis consider scenarios in which the individual agent systems are linear Gaussian systems and are independent. We revisit the Kalman filtering and Linear Quadratic Gaussian (LQG) control problems, subject to privacy constraints. We aim to enforce differential privacy, a formal, state-of-the-art definition of privacy ensuring that the output of an algorithm is not too sensitive to the data collected from any single participating agent. We propose a twostage architecture, which first aggregates and combines the individual agent signals before adding privacy-preserving noise and post-filtering the result to be published. We show a significant performance improvement offered by this architecture over input perturbation schemes as the number of input signals increases and that an optimal static aggregation stage can be computed by solving a semidefinite program. The two-stage architecture, which we develop first for Kalman filtering, is then adapted to the LQG control problem by leveraging the separation principle. We provide numerical simulations that illustrate the performance improvements over differentially private algorithms without first-stage signal aggregation. The second part of this thesis considers the problem of privacy-preserving estimator design for a multi-agent system composed of individual linear time-invariant systems affected by uncertainties whose statistical properties are not available. Only bounds are given a priori for these uncertainties. We propose a privacy-preserving interval estimator architecture, which releases publicly estimates of lower and upper bounds for an aggregate of the states of the individual systems. Particularly, we add a bounded privacy-preserving noise to each participant's data before sending it to the estimator. The estimates published by the observer guarantee differential privacy for the agents' data. We provide a numerical simulation that illustrates the behavior of the proposed architecture.


identifier: Ooi, H. L. (2021). Multiple Object Tracking in Urban Traffic Scenes  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le suivi multiobjets (MOT) est un domaine très étudié qui a évolué et changé beaucoup durant les années grâce à ses plusieurs applications potentielles pour améliorer notre qualité de vie. Dans notre projet de recherche, spécifiquement, nous sommes intéressés par le MOT dans les scènes de trafic urbain pour extraire précisément les trajectoires des usagers de la route, afin d'améliorer les systèmes de circulation routière desquels nous bénéficions tous.Notre première contribution est l'introduction d'informations sur les étiquettes de classe dans l'ensemble des caractéristiques qui décrivent les objets pour les associer sur différents trames, afin de bien capturer leur mouvement sous forme de trajectoires dans un environnement réel.Nous capitalisons sur les informations provenant d'un détecteur basé sur l'apprentissage profond qui est utilisé pour l'extraction des objets d'intérêt avant la procédure de suivi, carnous avons été intrigués par leurs popularités croissantes et les bonnes performances qu'ils obtiennent. Cependant, malgré leur potentiel prometteur dans la littérature, nous avons constaté que les résultats étaient décevants dans nos expériences. La qualité des détections,telle que postulée, affecte grandement la qualité des trajectoires finales. Néanmoins, nous avons observé que les informations des étiquettes de classe, ainsi que son score de confiance, sont très utiles pour notre application, où il y a un nombre élevé de variabilité pour les types d'usagers de la route.Ensuite, nous avons concentré nos efforts sur la fusion des entrées de deux sources différentes afin d'obtenir un ensemble d'objets en entrée avec un niveau de précision satisfaisant pour procéder à l'étape de suivi. À ce stade, nous avons travaillé sur l'intégration des boîtes englobantes à partir d'un détecteur multi-classes par apprentissage et d'une méthode basée sur la soustraction d'arrière-plan pour résoudre les problèmes tels que la fragmentation et les représentations redondantes du même objet.  ABSTRACT: Multiple object tracking (MOT) is an intensively researched area that have evolved and undergone much innovation throughout the years due to its potential in a lot of applications to improve our quality of life. In our research project, specifically, we are interested in applying MOT in urban traffic scenes to portray an accurate representation of the road user trajectories for the eventual improvements of road traffic systems that affect people from all walks of life. Our first contribution is the introduction of class label information as part of the features that describe the targets and for associating them across frames to capture their motion into trajectories in real environment. We capitalize on that information from a deep learning detector that is used for extraction of objects of interest prior to the tracking procedure, since we were intrigued by their growing popularity and reported good performances. However,despite their promising potential in the literature, we found that the results were disappointing in our experiments. The quality of extracted input, as postulated, critically affects the quality of the final trajectories obtained as tracking output. Nevertheless, we observed that the class label information, along with its confidence score, is invaluable for our application of urban traffic settings where there are a high number of variability in terms of types of road users. Next, we focused our effort on fusing inputs from two different sources in order to obtain a set of objects with a satisfactory level of accuracy to proceed with the tracking stage. At this point, we worked on the integration of the bounding boxes from a learned multi-class object detector and a background subtraction-based method to resolve issues, such as fragmentation and redundant representations of the same object.


identifier: Breumier, S. (2021). Methodology for Shot-Peening Induced Intragranular Residual Stress Prediction  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le grenaillage est un traitement mécanique des surfaces qui consiste à projeter des billes à très haute vitesse à la surface d'une pièce. Ce traitement est utilisé depuis plus d'une soixantaine d'année dans l'industrie pour améliorer la durée de vie en fatigue des matériaux par l'introduction de contraintes résiduelles de compression et de gradients de duretés en sous surface. Le procédé a longtemps été simplement considéré comme bénéfique sans réelle quantification des bénéfices apportés sur la durée de vie en fatigue et les évolutions de microstructures. En effet, modéliser le procédé a longtemps été un verrou car cela implique de simuler un grand nombre d'impacts, de reproduire avec précision la cinétique des billes et de prendre en compte un certain nombre de non-linéarités dues au contact et aux déformations plastiques. Cependant les avancées de ces dix dernières années ont permis le développement de modèles pouvant prédire avec précision le profil moyen de contraintes résiduelles en profondeur ainsi que les gradients d'écrouissage résultants. Peu d'études ont cependant tenté de prédire les contraintes résiduelles et l'écrouissage induits à l'échelle d'un grain. Les variations intragranulaires des contraintes ont pourtant une influence sur la durée de vie à grand nombre de cycle d'un matériau. Par ailleurs l'écrouissage local constitue une donnée cruciale pour certains modèles de prédiction de durée de vie en fatigue. Les verrous principaux à lever pour effectuer de telles prédictions sont l'identification précise de modèles de plasticité cristalline à l'échelle de la surface et dans les conditions du procédé, ainsi que le développement de méthodes expérimentales de validation des modèles développés. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie pour la prédiction des contraintes résiduelles et de l'écrouissage intragranulaire à l'aide de modèles de plasticité cristalline par éléments finis et de validations expérimentales. Des essais d'indentation sphérique sur des monocristaux de cuivre sont présentés afin d'estimer le champ de contrainte induit en sous surface expérimentalement et numériquement. Les résultats révèlent que l'anisotropie de la plasticité cristalline peut induire des contraintes résiduelles de tension en sous surface. La comparaison des champs numériques et expérimentaux confirme aussi la possibilité de comparer des champs de contraintes estimés par EBSD à haute résolution à ceux prédits par des modèles de plasticité cristalline de façon suffisament quantitative pour permettre la validation de modèle. Les évolutions microstructurales induites par le grenaillage d'un coin sont ensuite étudiées par des estimations EBSD de densités de dislocations géométriquement nécessaires à l'aide de nouvelles méthodes d'indexation alternatives. Les différences d'écrouissage relevées démontrent l'importance de modéliser le procédé à l'échelle du grain. Une méthodologie pour l'identification de loi de plasticité cristalline à haute vitesse basée sur des essais de microcompression est détaillée. Une attention particulière à été portée sur le caractère bien posé du problème d'identification, à l'aide d'indice d'identifiabilités. Un canon a grenailler capable de projeter des billes isolées avec une large gamme de vitesse et une haute précision a été développé pour valider le modèle. Un code a été implémenté pour estimer la trajectoire de la bille en trois dimensions avec une précision de 200 μm pour servir d'entré aux modèles éléments finis. La validation du modèle précédent est effectuée par comparaison du déplacement de la bille, de la topologie de l'empreinte d'impact et du champ de désorientation sous l'empreinte estimés expérimentalement et numériquement. Enfin la possibilité d'utiliser le déplacement de la bille et le champ de contraintes résiduelles induit par un impact est explorée par une étude d'identifiabilité détaillée. Ces travaux offrent de nouveaux outils et méthodologies pour l'identification de paramètres et la validation de modèles à l'échelle du grain et à haute vitesse.  ABSTRACT: Shot peening is a mechanical surface treatment which consist in projecting several spherical particles onto a material's surface. The process have been widely used in the industry over more than sixty years to enhance material's fatigue properties by introduction of subsurface compressive stresses and hardening gradients. It has been long used as a 'nice to have' without any quantification of its benefits as its modeling involved a large number of impacts, complex shot kinematics and non linearities induced by contact and plastic deformations. Nonetheless, advances over the past twenty years provided models that successfully reproduced experimentally measured average residual stress profiles and hardening gradients. However, only few attempts to predict the residual stress and hardening variations at the grain scale have yet been reported. Intragranular stress variations could influence a structure high cycle fatigue behaviour and local hardening could be a crucial input for fatigue life predictions models. The main barriers to achieve such predictions are mainly the difficulty to identify accurate crystal plasticity models in the process conditions as well as defining relevant validation procedures to assess the ability of the models to predict residual stress variations. The objective of this thesis is to develop a methodology for shot peening induced intragranular residual stress and hardening prediction using crystal plasticity finite element simulations and experimental validations. Indentation on single crystal copper are first presented to assess the residual stress variations in a single grain under the indent both experimentally and numerically. The results reveal that crystal plasticity anisotropy could induce subsurface tensile residual stresses under a spherical contact. It also demonstrates that experimental residual stress fields estimated by high angular resolution electron backscattered diffraction could be quantitatively compared to finite element models. This finding makes it a relevant tool for constitutive behaviour validation. The microstructural evolutions induced by shot peening of a corner are investigated using electron backscatter diffraction geometrically necessary dislocation estimations with recently developed alternative indexation methods. The differences in hardening gradient close to the corner compared with a reference shot peened material evidences that accurately predict microstructural evolutions induced by the process at the grain scale is necessary to predict the induced hardening distribution. These works provides new evidences of the relevance of modeling the process at the crystal scale. A methodology for identification of crystal plasticity parameters at high strain rates using micropillar compression is then detailed. Particular attention is paid to the identification problem well-posedness using identifiability indicators provided by the literature. A shotpeening canon that can propel single shot over a wide velocity range with high aiming precision is developed. An in-house code that can estimate the shot trajectory within 200 μm is implemented to provide input for finite element analyses. The setup is used for validation of the previously identified model by comparison of the shot displacement impact dent topography and in-depth crystal misorientation field. Finally, the possibility to use the shot displacement curve and residual stress field under the dent produced by the setup is investigated through a detailed identifiability analyses. These works provide new tools and methodologies for crystal plasticity parameters identification and validation at the grain scale and at high strain rates.


identifier: Trottier, S. (2021). Développement d'une méthodologie de prévision des prix du bois d'œuvre au Québec  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le bois d'œuvre est considéré comme un produit de commodité. Il est utilisé principalement pour la construction des maisons et est disponible sous différentes dimensions, longueurs et grades. L'industrie du bois d'œuvre est au cœur des activités du secteur forestier canadien. En particulier, cette industrie est d'une importance primordiale pour le développement économique de la province du Québec puisqu'elle permet la création de nombreux emplois dans quasiment la totalité des régions du Québec. Le Conseil de l'Industrie Forestière du Québec (CIFQ) représente les intérêts des entreprises forestières québécoises. Afin d'orienter ces entreprises vers une meilleure prise de décision, les experts du CIFQ collectent hebdomadairement les prix de vente des différentes entreprises membres et publient des estimations des prix de vente de chaque produit par marché. Plusieurs entreprises se basent sur ces prix pour établir de nouveaux prix de vente et plans de production. Particulièrement, les entreprises québécoises, œuvrant dans un contexte très compétitif, ont besoin en plus des prévisions des prix de vente par marché et par produit. Cependant, les experts du CIFQ ne disposent pas d'outils permettant de générer des prévisions des prix des différents produits et pour les différents marchés, tout en considérant les données externes. De plus, à notre connaissance, parmi les études spécifiques aux produits du bois d'œuvre, aucune n'a considéré le cas de la province du Québec. L'objectif de ce projet de maîtrise est de développer une méthodologie qui permet de générer des prévisions à court terme des prix du bois d'œuvre au Québec, tout en tenant compte de la réalité du marché. Plus spécifiquement, ce projet vise à sélectionner les méthodes les plus appropriées pour la prévision des prix du bois d'œuvre, à formuler une démarche permettant d'évaluer la qualité des prévisions, puis à appliquer cette démarche pour générer des prévisions pour quelques produits représentatifs. À cette fin, nous avons proposé une démarche à sept étapes. À l'étape 1, nous avons réalisé le prétraitement des données historiques des prix. Nous avons généré, à l'étape 2, les prévisions des prix, sans considérer les facteurs externes, en utilisant différentes méthodes de séries temporelles univariées (Moyenne, Naïve, Naïve Saisonnière, STL, ARIMA, NNAR, TBATS et Combinaison). L'étape 3 consiste à évaluer la qualité des prévisions et à comparer la performance des différentes méthodes. Puis, dans les étapes 4 et 5, nous avons prétraité les données des facteurs externes et appliqué la méthode Stepwise pour la sélection des facteurs externes à considérer dans le modèle explicatif du prix de vente d'un produit à un marché donné. Les données des facteurs externes retenus sont utilisées pour générer les prévisions dans l'étape 6, en utilisant une méthode de séries temporelles multivariées (régression linéaire multiple). Dans l'étape 7, la qualité des prévisions considérant les facteurs externes est évaluée de la même façon qu'à l'étape 3. La démarche proposée a été appliquée pour la prévision des prix de deux produits représentatifs du bois d'œuvre, soit le produit 2x4 RL de grade 1&2 et le produit 2x6 RL de grade 1&2. Des données à partir 2010 ont été utilisés pour générer des prévisions pour différents horizons de 3 mois de l'année 2017. Les prévisions obtenues pour ces deux produits respectent le seuil acceptable par horizon (5% d'erreur) et le seuil acceptable par l'ensemble des trois horizons (10% d'erreur).  ABSTRACT: Lumber is categorized as a commodity product which is mainly used for the construction of houses and is available in various sizes, lengths and grades for different applications. The softwood lumber industry is considered as at the heart of Canada's forestry sector. In particular, this industry plays a major role for economic development of Quebec province, throughout creating direct/indirect job opportunities over the whole regions.  The Conseil de l'Industrie Forestière du Québec (CIFQ) represents the interests of Quebec forestry companies. In order to guide these companies towards better decision-making, CIFQ experts collect weekly sales prices from the various joined members (companies) and publish estimation of the market sales prices of corresponding products. Several companies rely on these prices to establish new sales prices and production plans. In particular, Quebec companies, operating in a highly competitive environment, need forecasts of sales prices by market and by product. However, CIFQ experts do not have the tools to generate price forecasts for different products and for different markets, while considering external data. Furthermore, to our knowledge, none of the studies specific to softwood lumber products considered the case of the province of Quebec.   The main objective of this master's project is to develop a methodology to generate short-term forecasts of lumber prices in Quebec, while considering the market reality. More specifically, this project aims to select the most appropriate methods for forecasting timber prices, to formulate an approach to assess the quality of the forecasts, then apply this approach to generate forecasts for some representative products. To this end, we proposed a seven-step approach. In Step 1, we pre-processed historical price data. We generated, in Step 2, the price forecasts, without considering external factors, using different univariate time series methods (Average, Naive, Naive Seasonal, STL, ARIMA, NNAR, TBATS and Combination). Step 3 assesses the quality of the forecasts and compares the performance of the different methods. Then, in steps 4 and 5, we pre-processed the external factor data and applied the Stepwise method for selecting the external factors to consider in the model explaining the selling price of a product to a given market. Data from selected external factors are used to generate the forecasts in Step 6, using a multivariate time series method (multiple linear regression). In Step 7, the quality of forecasts considering external factors is assessed in the same way as in Step 3. The proposed approach was used to forecast the prices of two representative lumber products, 2x4 RL Grade 1&2 and 2x6 RL Grade 1&2. Data from 2010 onwards were used to generate forecasts for different 3-month horizons in 2017. The forecasts obtained for these two products meet the acceptable threshold per horizon (5% error) and the acceptable threshold for all three horizons (10% error).


identifier: Braithwaite, B. (2021). Applications des hypothèses de la théorie cinématique à d'autres systèmes biologiques et à la théorie du contrôle optimal  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les mouvements humains présentent certaines caractéristiques invariantes qui témoignent du fonctionnement du système neuromusculaire. Il est possible d'interpréter ces invariances de plusieurs façons. D'une part, la théorie cinématique explique ces invariances en décrivant le profil de vitesse comme le résultat du produit de convolution des réponses d'un système complexe couplé. D'autre part, la théorie du contrôle optimal suppose que les mouvements sont optimaux par rapport à un certain coût. La grande question qui se pose alors est : quel est le coût d'un mouvement? La théorie cinématique propose un profil lognormal pour la vitesse mais aucune stratégie de contrôle optimal ne produit des profils de vitesses semblables à ceux prédits par la théorie cinématique. Les différences viennent des hypothèses utilisées par les différentes théories.  Dans ce mémoire, nous allons approfondir l'analyse des hypothèses principales de la théorie cinématique. Nous produisons des nouvelles stratégies d'activation des sous-systèmes de système neuromusculaire qui permettent d'interpréter les paramètres de la théorie cinématique de nouvelles manières. Ces stratégies sont triées et nous appliquons une stratégie inspirée de la structure géométrique des muscles à l'analyse de profils électromyographiques correspondants à des mouvements des membres supérieurs. Les simulations reproduisent bien les données expérimentales. Nous utilisons alors les hypothèses de la théorie cinématique pour proposer une nouvelle caractérisation des stratégies de contrôle cinématiques utilisées en contrôle optimal. Nous en tirons le fait que les mouvements humains sont issus d'un compromis entre souplesse, consommation énergétique et temps d'exécution. Cette constatation nous permet de proposer une nouvelle stratégie de contrôle qui produit des profils de vitesse asymétriques, nous rapprochant ainsi d'un coût qui peut produire des profils lognormaux. Cette stratégie est comparée aux autres grâce à des nouvelles méthodes d'analyse se basant sur les paramètres lognormaux. Enfin, nous appliquons des modèles dérivés de l'hypothèse de proportionnalité à des systèmes biologiques qui produisent des réponses à apparence lognormale. Les comportements de ces systèmes sont reformulés et recadrés pour justifier une réponse lognormale.  Les méthodes et les résultats présentés dans ce mémoire ont aussi pour vocation de démontrer les applications diverses de la théorie cinématique et de l'utiliser comme outil d'analyse des prédictions d'autres modèles.  ABSTRACT: Human movements present certain invariant characteristics that allow us to gain insights as to the structure and behaviour of the neuromuscular system. These invariants can be interpreted in different ways. On the one hand, the kinematic theory explains them by describing the velocity profile as the convolution product of the impulse responses of many dependent sub-systems. On the other hand, optimal control theory supposes that human movement is optimal as regards a specific cost. The question then becomes: what is the cost of moving? The kinematic theory predicts that velocity profiles should be lognormal. However, no control strategy has been able to produce such profiles. The main difficulties arise from the different hypotheses of the each of the theories.  In this thesis, we attempt to further the analyses of the main hypotheses of the kinematic theory. From this, we produce novel activation strategies for the sub-systems that make up the neuromuscular system. These strategies provide new interpretations of the lognormal parameters. The strategies are then sorted and classified. We apply a strategy which is inspired by the geometric structure of muscles to the analysis of electromyographical profiles of the upper limbs. Simulations reproduce experimental data faithfully. Following from this, we use the hypotheses of the kinematic theory to put forward a new characterization of kinematic optimal control strategies. We show that human movements are the result of a trade-off between smoothness, energy consumption and execution time. We use this observation to propose a new optimal control strategy which produces asymmetric velocity profiles resembling lognormal functions: we are getting ever closer to finding the cost function associated with optimal lognormal behavior. Our control strategy is compared to other strategies using new methods developed based on the lognormal parameters of the kinematic theory. Finally, we apply the models we developed based on the proportionality hypothesis of the kinematic theory to systems that have been observed to output lognormal-like responses.   The methods and results presented in this thesis also serve as a demonstration of the many possible applications of the kinematic theory and show how we can use it to develop new tools to be used for the analysis of the predictions of other models.


identifier: Hassan, M. (2021). Valorization Pathway for Solid By-Product from the Thermal Decomposition of Phosphogypsum in the Cement Industry  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le phosphogypse (PG) est un sous-produit formé à partir du processus humide de production d'acide phosphorique. Il s'agit principalement de sulfate de calcium dihydraté CaSO4.2H2O plus des traces d'impuretés, telles que le silicium, l'aluminium, le fer, les métaux lourds et les éléments radioactifs. Chaque tonne d'acide phosphorique produit environ cinq tonnes de PG, qui sont généralement rejetées sur terre ou dans la mer ou les cours d'eau, provoquant une pollution environnementale dangereuse. Un effort mondial est donc en cours pour valoriser le PG de plusieurs manières bénéfiques ; par exemple, il a des utilisations commerciales précieuses dans l'agriculture, les produits d'alimentation animale, la construction et l'extraction d'éléments de terres rares.  ABSTRACT: Phosphogypsum (PG) is a by-product formed from the wet process of phosphoric acid production. It is mainly calcium sulphate dihydrate CaSO4.2H2O plus traces of impurities, such as silicon, aluminum, iron, heavy metals, and radioactive elements. Each ton of phosphoric acid produces around five tons of PG, which is usually discharged on land or in the sea or watercourses, causing dangerous environmental pollution. A global effort is therefore underway to valorize PG in several beneficial ways; for instance, it has valuable commercial uses in agriculture, animal feed products, construction, and rare earth elements (REEs) extraction.


identifier: Patenaude, M. (2020). Multi-Scale Investigation of Bank Filtration : Investigating the Province Wide Occurrence of Bank Filtration and Methods to Characterize Recharge  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les investigations des sites de filtration sur berge (FSB) au Québec se font depuis quelques années seulement, et le nombre de sites au Québec qui utilisent la filtration sur berge n'est pas connu. Dans les systèmes de filtration sur berge, les eaux de surface passent à travers les berges d'un lac ou d'une rivière vers un ou plusieurs puits de pompage grâce au gradient hydraulique naturel ou induit par pompage. Leur qualité est ainsi généralement améliorée comparé aux eaux de surface. Grâce à une abondance d'eau de surface dans la province, il est probable qu'un grand nombre de puits font de la filtration sur berge, c'est-à-dire qu'ils pompent un mélange d'eau souterraine et de surface. La réglementation au Québec encadre bien le développement et le suivi des sites d'eau souterraine et d'eau de surface, toutefois, ces sites hybrides ne sont pas spécifiquement discutés. D'autre part, certains paramètres clés dans la capacité d'atténuation des contaminants tels que le taux de mélange de l'eau infiltrée avec l'eau souterraine régionale et le temps de résidence de l'eau de surface au sein des berges sont difficiles à quantifier avec les méthodes actuelles du génie. Il est donc important i) de mieux caractériser l'occurrence de la filtration sur berge dans la province pour permettre d'évaluer la nécessité du développement de règlements propres à ces sites et ii) de développer des approches novatrices permettant de caractériser les écoulements aux sites de FSB. La première partie de cette étude vise à proposer une première évaluation de la distribution spatiale des sites de FSB et de la population alimentée par ces sites. Pour ce faire, une structure SIG a été utilisée afin notamment de calculer la distance entre ceux-ci et les plans d'eau en proximité. Un regard plus rapproché sur certains bassins versant a ensuite permis d'améliorer la compréhension des interprétations en prenant en compte le type d'aquifère et certains autres facteurs régionaux. Une des trois régions investiguées a démontré un potentiel élevé de FSB (Laurentides), une deuxième nécessiterait des informations supplémentaires pour améliorer le niveau de confiance dans les interprétations (Nicolet), et dans une troisième région (Vaudreuil-Soulanges) il a été démontré que l'utilisation de la FSB est peu-probable. À partir de cette approche, il a été démontré que près de 1 million de québécois sont alimentés en eau potable à partir de puits municipaux situés à moins de 500 m d'un plan d'eau de surface, et que plus d'un demi-million d'habitants ont une probabilité élevée d'être alimentés par des puits de FSB. La deuxième partie de cette étude s'est concentrée sur l'utilisation du 222Rn comme chronomètre naturel in-situ des temps de résidence de l'eau de surface infiltrée au travers des berges. Plus précisément, l'objectif était d'encadrer les conditions nécessaires à l'obtention de résultats les plus représentatifs possibles. Tandis que les études existantes s'étaient centrées sur une seule ligne d'écoulement en régime permanent, cette étude a visé à investiguer l'utilisation du 222Rn pour déterminer les temps de résidence sur un site avec plusieurs puits et des conditions hydrauliques transitoires. La proximité des puits et l'estimation hydrodynamique des temps de résidence (2 à 7 jours) faisait du site à l'étude un candidat favorable pour l'utilisation du 222Rn comme traceur de temps. Des mesures de radon ont été faites pendant 1.5 ans et les temps de résidence ont été calculés pour chacun des échantillons en utilisant divers pôles de mélanges et valeurs à l'équilibre du 222Rn. Il a été déterminé que la proportion d'eau souterraine a un impact important sur les temps de résidence calculés. Ceci était particulièrement évident lorsque les proportions d'eau souterraine étaient faibles (<50%) et les temps de résidence calculés étaient typiquement courts (<5 jours). Aussi, la présence de stratification des traceurs dans l'aquifère complique les calculs de temps de résidence puisque certaines portions d'eau qui sont à l'équilibre avec le substrat ne sont pas visible avec cette approche. Malgré que cette méthode soit considéré bien développée par certains auteurs, des travaux sont encore requis pour établir les conditions exactes sur un site qui permette de produire des calculs de temps de résidence fiables. Des pôles stables, un niveau de confiance élevé dans la représentativité des mesures, et la présence de mélange binaire simple sont tous nécessaires pour que la méthode soit fiable. Cette étude sensibilise à l'utilisation généralisée de la filtration sur berge pour l'approvisionnement de nombreuses municipalités au Québec. Elle met en évidence la nécessité de coupler divers outils de caractérisation. Ses résultats permettent des études plus ciblées basées sur les recommandations de ce manuscrit. Des études à l'échelle régionale utilisant des traceurs environnementaux pourraient aider à évaluer plus précisément l'occurrence de la filtration sur berge non seulement dans la province, mais aussi à une plus grande échelle au Canada et dans d'autres pays.  ABSTRACT: The study of bank filtration in the province of Quebec is still in its early stages, and an overall understanding of the prevalence of this type of groundwater extraction is unknown. During bank filtration, water is drawn towards a pumping well via a natural or induced gradient and water quality is improved relative to surface water. Due to the abundance of surface water in the province of Quebec, Canada, it is suspected that many groundwater wells are pumping a mixture of groundwater and surface water via induced bank filtration (IBF). The regulatory framework in Quebec provides comprehensive guidance for the development and monitoring of surface water and groundwater drinking water production systems. However, the regulations do not specifically address hybrid groundwater-surface water production systems such as IBF sites. Certain key parameters for attenuation of contaminants, notably residence times and mixing between regional groundwater and infiltrating surface water and the residence times of surface water are difficult to quantify using traditional methods that are the current standard practices. It is therefore important to i) better characterize the occurrence of bank filtration sites in the province in order to better evaluate whether new regulations should be adapted to these sites and, ii) develop innovative approaches that allow for characterizing groundwater flow at BF sites. In order to provide a first evaluation of municipal wells potentially using IBF and the corresponding population served by these wells, a Geographic Information Science framework (GISc) was used to implement an IBF spatial database and calculate the distance from each well to the nearest surface water body. GISc is based on open-source GIS programs and openly available data, to facilitate the reproducibility of the works. From this provincial scale approach, we show that nearly one million people are supplied by groundwater from municipal wells located < 500 m from a surface water body and half a million would have a significant probability to be supplied by IBF wells. A more focused look at watershed scale distribution of wells allows us to improve our interpretations by considering the aquifer type and other regional factors. This approach reveals strong spatial variability in the distribution of wells in proximity to surface water. Of the three selected regions, one has high potential for IBF (Laurentides), one requires additional information do draw precise conclusions (Nicolet), and the third region (Vaudreuil-Soulanges) is unlikely to have widespread use of IBF. With this study, we demonstrate that extensive use of IBF is likely and that there is a need for improved understanding and management of these sites in order to properly protect the drinking water supply. The second part of this study focuses on the use of 222Rn as a tracer for calculating residence times of infiltrating surface water. This study aims to incorporate the lessons learned from various studies into a more comprehensive understanding of the conditions when the 222Rn method is an effective method of evaluating residence times, and to test the impact of endmember choice on the calculations of residence time. Whereas the previous studies were typically investigating a single flow line under steady state flow conditions, this study was undertaken to evaluate the use of 222Rn as a tracer for calculating residence times in a multi-well bank filtration system under variable pumping and hydraulic conditions. On this site, the close proximity of pumping wells to surface water, and the residence times estimated in previous studies (2-7 days) made it a favourable candidate for use of the previously established method of residence time calculations using 222Rn. It was determined that the proportion of groundwater strongly impacts calculated residence times. This was particularly evident when the proportion of surface water was low (<50%) and the resulting residence times was typically short (<7 days). Additionally, aquifers with stratification of either 222Rn production or EC are not favorable for use of this method for determining residence times as there are portions of water at equilibrium that cannot be identified. Despite this method being considered well developed by some authors, additional work should be conducted to establish the exact hydrogeological conditions that are required for this approach to provide representative results. A clear stable radon end-member, high confidence in the representativity of samples and simple binary mixing are all essential for this. Several steps are recommended in order to improve this method and determine when and under what conditions it is appropriate. This study raises awareness of the widespread use of bank filtration for supplying many municipalities within the province of Quebec. Its results enable more targeted studies based on the recommendations of this manuscript. Regional scale studies using environmental tracers could help to more precisely evaluate the occurrence of bank filtration not only in the province, but also at a wider scale in Canada and in other countries.


identifier: Lorans, A. (2021). Contrôle non destructif par ultrasons appliqué aux pièces métalliques issues de la fabrication additive et conventionnelle  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet porte sur le contrôle non destructif (CND) par ultrasons des pièces d'alliages d'aluminium et de titane produites par fabrication additive métallique (FAM) destinées à l'industrie aéronautique. La FAM permet de produire rapidement des pièces de formes complexes, qui réduisent les coûts et l'empreinte environnementale. Cependant, le développement des méthodes de CND doit accompagner celui de la FAM. Tout d'abord, les discontinuités de la FAM sont recensées pour les deux méthodes étudiées dans ce projet, qui sont le dépôt sous énergie concentrée (DED), et la fusion sur lit de poudre (PBF). Trois types de discontinuités sont constatées dans la FAM, des pores gazeux sphéroïdaux de petite taille, des manques de fusion de plus grande taille et de forme ramifiée, ainsi que des fissures dues aux contraintes résiduelles. Les discontinuités qui s'avèrent être les plus critiques en termes de fatigue sont les manques de fusion situés en sous-surface. Une méthode de CND possédant une fine limite de détection et couramment utilisée, est le contrôle par rayons X, et notamment la tomodensitométrie, qui produit une image en trois dimensions de la pièce. Cependant, ce sont des analyses très coûteuses, longues, et la résolution est dépendante du volume inspecté. En moyenne, la résolution sera de 1% de l'épaisseur de la pièce pour une analyse par tomodensitométrie et de 2% pour une analyse par radiographie conventionnelle. Au contraire, les méthodes ultrasonores qui se basent sur la réflexion de l'onde sur les discontinuités, sont rapides et bon marché et la limite de détection s'affine à mesure que la fréquence utilisée augmente. Néanmoins, augmenter la fréquence conduit à augmenter l'atténuation de l'onde, et réduire la profondeur d'inspection et la lisibilité des résultats. Il existe pourtant une autre méthode permettant d'affiner la résolution, il s'agit de mettre en évidence le comportement non linéaire de certaines discontinuités en comparant la réponse obtenue à deux niveaux d'énergie différents. Ces constatations mises en évidence par la revue de littérature ont permis d'orienter le projet vers une méthodologie basée sur l'exploration des ultrasons non linéaires. Le coefficient d'atténuation à 5 MHz a d'abord été mesuré dans les six échantillons intacts, dont deux issus de la FAM et quatre de procédés de mise en forme conventionnels afin de vérifier que la microstructure de FAM ne gênait pas le CND par ultrasons. Les échantillons ont par la suite été usinés afin de contenir des discontinuités artificielles sphériques de diamètre allant de 1,3 mm à 0,25 mm, et une discontinuité plane de 0,12 mm d'épaisseur.  ABSTRACT: This project focuses on ultrasonic non-destructive testing of metallic additive manufactured material made of titanium and aluminium alloys for the aerospace industry. The metallic additive manufacturing makes possible the production of complex shaped parts, therefore reduces economic costs and environmental footprint. However, development of metallic additive manufacturing must go together with development of non-destructive testing methods. In a first instance, metallic additive manufacturing discontinuities are listed for the two methods under this project scope, direct energy deposition and power bed fusion. Three types of discontinuities are founded in metallic additive manufacturing, small, rounded gas pores, big branched lacks of fusion as well as cracks due to residual stresses. Most dangerous discontinuities for fatigue strength are subsurface lack of fusion. Among non-destructive methods, X-rays are a commonly used because of their high resolution as well as computed tomography analysis which produce a 3D image of the part. Nevertheless, these analyses are very expensive, take a long time and resolution achievable is dependent of the inspected volume. On average, resolution is about 1 % of the part's width for computed tomography analysis and 2 % for conventional radiography. On the contrary, ultrasonic methods, based on the reflection of the wave on discontinuities, are quick, inexpensive and the resolution increases with the frequency. Nonetheless, increase frequency also increase attenuation and thus reduce the depth of inspection and readability of results. Another method exists to overcome this issue, it is a matter of highlighting nonlinear behaviours of small discontinuities by comparing their responses at two levels of energy. These findings from the literature review oriented the project toward nonlinear ultrasonic exploration. Firstly, attenuation coefficient at 5 MHz was measured in six samples, two of it produces by metallic additive manufacturing and four from conventional shaping methods. The aim was to verify that metallic additive manufacturing does not impede ultrasonic non-destructive testing. Samples were then machined to create artificial rounded discontinuities from 1.3 mm diameter to 0.25 mm, and a plane discontinuity of 0.12 mm width. They were inspected at 5 MHz by a 64 elements ultrasonic probe, in contact and in immersion, at high and low energy. The total focusing method was applied to produce images. A – 6 dB segmentation and a detection method based on round pattern recognition were used to define a detection limit. Moreover, high, and low images were subtracted in an attempt to highlight nonlinear behaviour of discontinuities.


identifier: Lalagüe, M. (2021). Modèle de planification tactique adaptée aux PME œuvrant dans un contexte ETO  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La demande de personnalisation des produits est une réalité toujours plus présente dans le milieu industriel. La place des projets réalisés selon la stratégie d'affaires d'ingénierie sur commande ou Engineer-To-Order (ETO), dont la spécificité est de réaliser tout ou partie de l'ingénierie du produit en fonction des demandes du client, est de plus en plus importante. De plus, la place toujours plus grande occupée par les technologies de l'industrie 4.0 permet de regrouper l'ensemble des ressources d'une entreprise au sein de systèmes de gestion intégrés (ERP). Ces ERP ont d'abord été développés pour être utilisés par des grandes entreprises. Cependant, une grande partie du tissu industriel, et notamment dans le domaine de l'ETO, est constitué de PME. Il faut donc adapter ces systèmes aux spécificités des PME et du contexte des projets ETO.  Dans les projets ETO, une des premières étapes à réaliser est de faire la planification tactique du projet en vue de renseigner les caractéristiques de l'offre qui va être faite au client lors de la phase d'appel d'offres. Des outils de planification tactique existent, mais ils sont peu utilisés par les planificateurs, car ils sont souvent trop complexes et ne prennent pas assez en compte le manque d'informations inhérent aux stades initiaux des projets ETO. Quelques recherches en processus de planification tactique, en outils de calcul ou en modèles de données adaptés à ce domaine existent. Cependant, il n'existe pas de modèle regroupant ces trois éléments adaptés à ce contexte. Ce mémoire a pour objectif de développer un modèle intégré de planification tactique adaptée au contexte de projets ETO menés par des PME. Ce modèle est composé d'un processus de planification tactique, d'un modèle de données supportant les données de ce modèle et d'un outil de calcul qui permet la création d'échéanciers initiaux adaptés aux spécificités du contexte ETO et PME Pour cela, la méthodologie Design Research Methodology (DRM) a été employée. En suivant cette méthodologie, nous avons d'abord confirmé la problématique soulevée grâce à la revue de littérature. Une analyse de l'existant a ensuite été réalisée chez un partenaire industriel qui développe un ERP possédant un outil de planification tactique. C'est à partir de cette analyse que nous avons pu construire notre modèle intégré. Enfin, une expérimentation du modèle proposé a été réalisée. Cela nous permet de montrer que le modèle intégré proposé permet de prendre en compte les incertitudes de manière plus intéressante que le simple ajout de moyens de robustesse à une solution optimale.  ABSTRACT: The demand for product customization is an increasingly present reality in industrial settings. The proportion of projects that use an Engineer-To-Order (ETO) approach, which perform all or part of the engineering of the product according to the customer's requests, is becoming more and more important. In addition, the ever-increasing presence of industry 4.0 technologies allows a company to consolidate all its resources within its enterprise resource planning (ERP) software. These ERP were first developed for use by large companies. However, a large part of the industrial fabric, particularly in the ETO field, is composed of SMEs. These systems must therefore be adapted to the particularities of SMEs and the context of ETO projects. In ETO projects, one of the first steps to perform is the tactical planning of the project in order to inform the details of the offer that will be made to the customer during the bid phase. Tactical planning tools do exist, but they are rarely used by planners because they are often too complex and do not consider the lack of information inherent in the initial stages of ETO projects. Some research exists into tactical planning processes, calculation tools or data models adapted to this field. However, there is no general approach that combines these three elements adapted to this context. Therefore, we propose developing an integrated tactical planning model adapted to the context of ETO projects conducted by SMEs. This model includes a tactical planning process, a data model supporting data of this model and a calculation tool for the creation of initial schedules adapted to the particularities of the ETO and SME context.  To achieve this, the Design Research Methodology (DRM) was used. Following this methodology, we first confirmed the issue raised through a literature review. An analysis of the existing situation was then performed at an industrial partner who is developing an ERP with a tactical planning tool. Bases on this analysis, we were then able to build our integrated model. Finally, a trial of the proposed model was performed. This allows us to show that the proposed integrated model allows to consider uncertainties in a more interesting way than simply adding robustness means to an optimal solution.


identifier: Keykhaie, S. (2021). Secure Authentication for Mobile Users  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

title: Secure Authentication for Mobile Users

abstract: RÉSUMÉ: L'authentification biométrique telle que les empreintes digitales et la biométrie faciale a changé la principale méthode d'authentification sur les appareils mobiles. Les gens inscrivent facilement leurs modèles d'empreintes digitales ou de visage dans différents systèmes d'authentification pour profiter de leur accès facile au smartphone sans avoir besoin de se souvenir et de saisir les codes PIN/mots de passe conventionnels. Cependant, ils ne sont pas conscients du fait qu'ils stockent leurs caractéristiques physiologiques ou comportementales durables sur des plates-formes non sécurisées (c'est-à-dire sur des téléphones mobiles ou sur un stockage en nuage), menaçant la confidentialité de leurs modèles biométriques et de leurs identités. Par conséquent, un schéma d'authentification est nécessaire pour préserver la confidentialité des modèles biométriques des utilisateurs et les authentifier en toute sécurité sans compter sur des plates-formes non sécurisées et non fiables.La plupart des études ont envisagé des approches logicielles pour concevoir un système d'authentification sécurisé. Cependant, ces approches ont montré des limites dans les systèmes d'authentification sécurisés. Principalement, ils souffrent d'une faible précision de vérification, en raison des transformations du gabarit (cancelable biometrics), de la fuite d'informations (fuzzy commitment schemes) ou de la réponse de vérification non en temps réel, en raison des calculs coûteux (homomorphic encryption).  ABSTRACT: Biometric authentication such as fingerprint and face biometrics has changed the main authentication method on mobile devices. People easily enroll their fingerprint or face template on different authentication systems to take advantage of their easy access to the smartphone with no need to remember and enter the conventional PINs/passwords. However, they are not aware that they store their long-lasting physiological or behavioral characteristics on insecure platforms (i.e., on mobile phones or on cloud storage), threatening the privacy of their biometric templates and their identities. Therefore, an authentication scheme is required to preserve the privacy of users' biometric templates and securely authenticate them without relying on insecure and untrustworthy platforms. Most studies have considered software-based approaches to design a privacy-reserving authentication system. However, these approaches have shown limitations in secure authentication systems. Mainly, they suffer from low verification accuracy, due to the template transformations (in cancelable biometrics), information leakage (in fuzzy commitment schemes), or non real-time verification response, due to the expensive computations (in homomorphic encryption).


identifier: Ghasemi, M. (2021). Performance Evaluation of Cyclist's Position Using a Depth Camera-Based Motion Capture System  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'optimisation de la posture d'un cycliste peut améliorer les performances et réduire la traînée aérodynamique. Les cyclistes visent à améliorer leurs performances en réduisant le temps et l'e˙ort que leur demande la course cycliste. Toute modification de la position du cycliste pour améliorer la performance globale exige une compréhension fondamentale de ses carac-téristiques, notamment aérodynamiques, physiologiques et biomécaniques, ce qui constitue la principale préoccupation de la recherche sur le cyclisme. Les méthodes actuelles font appel à des techniques coûteuses et compliquées, d'où la nécessité d'une approche fonctionnelle et abordable qui tienne compte de tous les paramètres concernés. Cette recherche vise à développer une application fonctionnelle permettant d'évaluer l'e˙et de la position et du guidon sur l'aérodynamique et les performances d'un cycliste. La première partie de cette thèse porte sur le développement et la validation d'un ensemble d'outils paramétrés permettant de modéliser un mannequin numérique 3D représentant un cycliste professionnel à l'aide d'un système de capture de mouvement sans marqueur. De plus, la méthodologie développée a été appliquée pour analyser numériquement la traînée aérodynamique de di˙érentes positions statiques de cyclisme en utilisant la dynamique des fluides numérique (CFD). Les résultats montrent que le système sans marqueur convient parfaitement à la modélisation et à l'étude de la dynamique des fluides numérique. Le cadre de modélisation paramétré combiné à la CFD s'avère un outil précieux pour évaluer avec précision la traînée associée aux di˙érentes positions du cycliste. La deuxième partie de cette thèse examine les e˙ets de la modification de la position du guidon aérodynamique sur le schéma d'activation musculaire des extrémités inférieures et sur les variables cinématiques, attendu que tout ajustement de la position de cyclisme induit un changement dans la relation entre la posture du corps et la géométrie de la bicyclette, a˙ectant la performance physique. L'électromyographie de surface et la cinématique articu-laire du membre inférieur droit pendant le pédalage sur ergomètre ont été mesurées pour les cyclistes et triathlètes de compétition. Les expériences portent sur di˙érentes positions du cycliste au cours d'épreuves contre-la-montre, dans le but de déterminer l'e˙et de la modifi-cation de la position de l'aéro-guidon lors de six exercices à charge constante sous-maximale. L'abaissement de la hauteur du guidon aérodynamique a révélé une amélioration des perfor-mances cyclistes grâce à la contribution plus importante de l'extenseur de la hanche et de l'angle d'extension de la hanche. La méthodologie développée permet d'étudier les réponses physiologiques du cycliste et d'e˙ectuer une analyse aérodynamique détaillée lors de la modification de la position du guidon en contexte d'épreuves contre-la-montre, compte tenu de la contribution du cycliste à l'essentiel de la force de traînée du système cycliste-vélo. Les résultats suggèrent que par rap-port à la position préférée lors du contre-la-montre, la zone frontale, le coeÿcient de traînée et la zone de traînée ont été réduits lors de l'abaissement de la position du guidon alors que toutes les variables physiologiques sont restées inchangées. Cette thèse présente une approche unique permettant d'étudier la contribution des modifica-tions d'ajustement du guidon sur les performances aérodynamiques et biomécaniques du vélo. Ce système de capture du mouvement sans marqueur, peu coûteux, conçu pour mesurer et analyser la cinématique du vélo, peut fournir des données fiables et applicables à une analyse aérodynamique et biomécanique plus poussée.  ABSTRACT: Optimizing the posture of a cyclist can ameliorate performance and reduce the aerodynamic drag. Cyclists aim to enhance performance decreasing the time and e˙ort during the cycling race. Any modification of the cycling position to improve the overall performance demands a fundamental understanding of its characteristics, including aerodynamics, physiological and biomechanical features, which is the primary concern of cycling research. Current methods require costly and complicated techniques, and therefore, the necessity of a functional and a˙ordable approach that considers all the involved parameters is apparent. This research aims to develop a feasible application for evaluating the e˙ect of cycling position and aero handlebar on the aerodynamics and performance of a cyclist. The first part of this thesis focuses on developing and validating a set of parameterized tools to model a 3D digital manikin of professional cyclists using a markerless motion capture system. Furthermore, the developed methodology has applied to numerically analyze the aerodynamic drag of di˙erent static cycling positions using computational fluid dynamics (CFD). Results show that the markerless system is fully capable of modeling and providing the requirement of CFD investigation. The parameterized modeling framework combined with CFD is found to be a valuable tool to accurately evaluate the drag of di˙erent cyclist positions. The second part of this thesis explores changing the aero handlebar position on the lower extremities' muscle activation pattern and kinematic variables since any adjustment in the cycling position induces a change in the relation between body posture and bicycle geometry, a˙ecting physical performance. The surface electromyography and joint-level kinematics of the right lower limb during cycling on an ergometer were measured for competitive road cyclists and triathletes. The experiments cover di˙erent time trial positions of the cyclist intending to determine the e˙ect of alteration of aero handlebar position in six submaxi-mal constant load exercises. Lowering the aero handlebar height showed improved cycling performance due to the more significant hip extensor contribution and extended hip angle. The developed methodology is applied to investigate the cyclist's physiological responses and detailed aerodynamic analysis when altering the time trial handlebar position, considering the rider contributes most of the rider-bicycle system's drag force. Findings suggest that compared to the preferred time trial position, the frontal area, drag coeÿcient and drag area were reduced when lowering the handlebar position while all the physiological variables remained unchanged. This thesis presents a unique approach to investigate the contribution of handlebar alterations on cycling aerodynamics and biomechanical performance. This low-cost markerless motion capture system for measuring and analyzing cycling kinematics can provide reliable and applicable data for further aerodynamics and biomechanical analysis.


identifier: Hebrard, E. (2021). Développement d'un modèle de détection en imagerie basé sur un système multispectral pour des nanomarqueurs SERRS  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans un contexte industriel en imagerie biomédicale, le coeur des projets réside dans le développement de nouveaux instruments de diagnostic. Dans la compagnie Photon Etc, une grande partie de la recherche et du développement appliqué au biomédical est attribué à la conception d'instruments permettant la détection d'échantillons radiatifs. Ces instruments sont souvent conçus pour des groupes de recherche avec des applications spécifiques comme l'imagerie de marqueurs Raman ou de biofluorescence par exemple. La compagnie se spécialise en production de caméras infrarouges (les caméras Zéphirs) et ces projets ne constituent pas nécessairement des produits typiques réalisés par la compagnie. Ils constituent néanmoins une grande partie du budget alloué au développement des produits, car la méthodologie de conception peut di˙érer selon les applications considérées : un échantillon fluorescent et un échantillon Raman n'auront pas les mêmes besoins en terme d'eÿcacité de détection par exemple. Des modèles de simulations permettent d'accompagner la conception de ces instruments. Pour la conception de relais de lentilles par exemple, il est d'usage d'utiliser des outils de modélisation comme Zemax ou LightTools. Pour évaluer la qualité d'une image mesurée par un capteur, il existe également un modèle permettant d'évaluer le rapport signal sur bruit (ou SNR de l'anglais signal-to-noise-ratio) en connaissant le signal incident d'une part et des caractéristiques techniques du détecteur d'autre part. Un outil permettant de caractériser un système de détection de l'étape d'excitation à l'étape de détection constitue donc un besoin dans le développement d'un nouveau système de détection. Mon premier but à travers ce projet de maîtrise a été de répondre à ce besoin en réalisant une interface graphique incluant un bloc d'émission, un bloc de relais optique et finalement un bloc de détection. Mon deuxième but consistait à valider les simulations réalisées avec le modèle de prédiction. À partir de deux montages expérimentaux di˙érents, j'ai évalué expérimentalement le rapport signal sur bruit des deux montages. J'ai montré que les résultats obtenus avec l'interface étaient proches de ceux obtenus expérimentalement. Cette interface ne remplace aucunement des outils de simulations établis comme Zemax pour la simulation de systèmes optiques par exemple. Cette interface a néanmoins la prétention de pouvoir aider dans la prise de décision préliminaire liée au choix des composantes du système comme le détecteur par exemple et d'avoir une évaluation directe de l'impact sur la qualité d'images. Dans le cadre du projet, mon troisième but était d'évaluer le potentiel des systèmes d'imageries instantanés pour la détection de signaux d'échantillons radiatifs. J'ai réalisé un prototype montrant le principe de fonctionnement du montage multispectral proposé. Ce système permet de démultiplier l'image afin de réaliser une sélection spectrale sur chacune des sous-images. La démultiplication de l'image a été montrée expérimentalement à l'aide du prototype réalisé. À l'aide de l'interface conçue dans la première partie du projet, j'ai également montré le potentiel de la technique en faisant une comparaison entre un système d'imagerie à balayage et le système proposé pour une même application multispectrale. Les résultats préliminaires de la modélisation prédisent que pour un même temps d'acquisition total d'une image, un SNR de 18,4 pourrait être atteint avec le système à balayage contre un SNR de 28,3 avec le système proposé. Pour des SNR d'environ 18, l'étude prédit que le système proposé prendrait environ 4 secondes contre 10 secondes pour le système à balayage. L'analyse réalisée est hypothétique et basée sur des hypothèses qui peuvent être sujettes à discussion. On peut néanmoins voir un atout supplémentaire de l'interface dans l'analyse comparative préliminaire rapide de systèmes de détection en s'affranchissant de l'aspect chronophage et couteux qu'est la conception d'un système de détection.  ABSTRACT: In an industrial context in biomedical imaging, a major part of projects lies in the develop-ment of finer diagnostic tools. At Photon Etc, a large portion of the research and development applied to the biomedical field is attributed to the design of instruments for the detection of radiative samples. These instruments are often designed for research groups with specific applications such as Raman or fluorescence imaging probes, for example. The company spe-cializes in the production of infrared cameras (Zephirs cameras) which are not the typical products realized by the company. Nevertheless, they constitute a large part of the budget allocated to product development, because the design methodology may di˙er depending on the applications considered: a fluorescent sample and a Raman sample will not have the same requirements in terms of detection eÿciency, for example. Simulation models exist to support the design of these instruments. For the design of lens relays, for example, it is usual to use modelling tools such as Zemax or LightTools. To assess the quality of an image measured by a sensor, there is also a model to assess the signal-to-noise ratio (or SNR) by knowing the incident signal, on the one hand, and the technical characteristics of the de-tector, on the other hand. A tool to characterize a detection system from the excitation to the detection stage is therefore needed in the development of a new detection system. The first goal of this master project was to meet this need by creating a graphical interface on Matlab including an emission part, an optical relay part, and a detection part. Based on two di˙erent experimental setups, the signal-to-noise ratio of two setups was experimentally evaluated. It was shown that the results obtained with the interface were close to those obtained experimentally. This interface does not replace established simulation tools such as Zemax for the simulation of optical systems, for example. This interface was design to be of help in the preliminary design stages of detection systems. An example of use of the interface would be to guide the choice of a detector. The interface can then have a direct quantitative impact on the image quality if one was considering two cameras for one system. In the second part of the project, we sought to evaluate the potential of snapshot imaging systems for the detection of radiative sample signals (in this case a surface enhanced Raman resonant sample). A prototype showing the proposed multispectral setup has been produced. The proposed system allows the multiplication of the image in order to perform a spectral selection on each of the sub-images. The reduction of the image was shown experimentally using the prototype. Using the interface produced in the first part of the project, the poten-tial of the technique was also shown by making a comparison between the proposed system and it scanning counterparts for the multispectral application. The preliminary results of the modelling predict that for the same total image acquisition time, an SNR of 18.4 could be achieved with the scanning system versus an SNR of 28.3 with the proposed system. For an SNR of 18, the study predicts that the proposed system would take about 4 seconds com-pared to 10 seconds for the scanning system. The analysis performed is hypothetical and is based on assumptions that may be subject to debate. Nevertheless, an additional advantage of the interface can be seen in a faster preliminary comparative analysis of detection systems compared to the time-consuming and costly aspect of assembling a detection system.


identifier: Abdi Ghavidel, H. (2021). Automatic Short Answer Grading Using Transformers  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'évaluation des réponses courtes en langage naturel est une tendance dominante dans tout environnement éducatif. Ces techniques ont le potentiel d'aider les enseignants à mieux comprendre les réussites et les échecs de leurs élèves. En comparaison, les autres types d'évaluation ne mesurent souvent pas adéquatement les compétences des élèves, telles que les questions à choix multiples ou celles où il faut combler des espaces. Cependant, ce sont les moyens les plus fréquemment utilisés pour évaluer les élèves, en particulier dans les envi-ronnements de cours en ligne ouverts (MOOCs). La raison de leur emploi fréquent est que ces questions sont plus simples à corriger avec un ordinateur. Comparativement, devoir com-prendre et noter manuellement des réponses courtes est une tâche plus diÿcile et plus longue, d'autant plus en considérant le nombre croissant d'élèves en classe. La notation automatique de réponses courtes, généralement abrégée de l'anglais par ASAG, est une solution parfaite-ment adaptée à ce problème. Dans ce mémoire, nous nous concentrons sur le ASAG basé sur la classification avec des notes nominales, telles que correct ou incorrect. Nous proposons une approche par référence basée sur un modèle d'apprentissage profond, que nous entraînons sur quatre ensembles de données ASAG de pointe, à savoir SemEval-2013 (SciEntBank et BEETLE), Dt-grade et un jeu de données sur la biologie. Notre approche utilise les modèles BERT Base (sensible à la casse ou non) et XLNET Base (seulement sensible à la casse). Notre analyse subséquente emploie les ensembles de données GLUE (General Language Un-derstanding Evaluation), incluant des tâches de questions-réponses, d'implication textuelle, d'identification de paraphrases et d'analyse de similitude textuelle sémantique (STS). Nous démontrons que celles-ci contribuent à une meilleure performance des modèles sur la tâche ASAG, surtout avec le jeu de données SciEntBank.  ABSTRACT: Assessment of short natural language answers is a prevailing trend in any educational envi-ronment. It helps teachers to understand better the success and failure of students. Other types of questions such as multiple-choice or fill-in-the-gap questions don't provide adequate clues for evaluating the students' proficiency exhaustively. However, they are common means of student evaluation especially in Massive Open Online Courses (MOOCs) environments. One of the major reasons is that they are fairly easy to be graded. Nonetheless, understand-ing and marking manually short answers are more challenging and time-consuming tasks, especially when the number of students grows in a class. Automatic Short Answer Grading, usually abbreviated to ASAG, is a highly demanding solution in this current context. In this thesis, we mainly concentrate on classification-based ASAG with nominal grades such as correct or not correct. We propose a reference-based approach based on a deep learn-ing model on four ASAG state-of-the-art datasets, namely SemEval-2013 (SciEntBank and BEETLE), Dt-grade and Biology dataset. Our approach is based on BERT (cased and un-cased) and XLNET (cased) models. Our secondary analysis includes how GLUE (General Language Understanding Evaluation) tasks such as question answering, entailment, para-phrase identification and semantic textual similarity analysis strengthen the ASAG task on SciEntBank dataset. We show that language models based on transformers such as BERT and XLNET outperform or equal the state-of-the-art feature-based approaches. We further indicate that the performance of our BERT model increases substantially when we fine-tune a BERT model on an entailment task such as the GLUE MNLI dataset and then on the ASAG task compared to the other GLUE models.


identifier: Herrera Jimenez, E. J. (2021). Effect of Growth Conditions and Surface Treatment on the Performance of Protective Coatings on Aircraft Engine Components  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans l'industrie aérospatiale, de nombreuses formes de défaillance des matériaux, dues à des dommages causés par des sollicitations externes et à la fatigue des structures, peuvent entraîner des événements catastrophiques s'ils ne sont pas détectés à temps. Les composantes se déplaçant à grande vitesse sont particulièrement sujettes à la fissuration car elles sont exposées à des environnements difficiles et à des contraintes élevées. Tout au long de la durée de vie d'un avion, la probabilité de formation et de propagation de fissures causées par des dommages matériels augmente, ce qui représente des défis importants pour le développement et la performance en service des moteurs.    Le sujet de cette thèse de doctorat a été proposé en réponse aux besoins de l'industrie aérospatiale pour mieux comprendre l'initiation et la propagation des fissures ainsi que les mécanismes de dégradation, notamment l'érosion, l'usure et la fatigue, pour retarder la défaillance fatale des composants situés à l'intérieur d'un moteur à réaction. Ce travail se concentre sur l'étude du matériau Ti-6Al-4V revêtu en raison de son utilisation répandue dans certaines des composantes de moteur les plus critiques, généralement dans les pièces de stator et de rotor.  Les procédés d'ingénierie de surface devraient envisager des revêtements de protection avec des propriétés tribo-mécaniques "idéales" et des procédés pour contrôler les contraintes résiduelles (RS). À cet égard, la finition de surface des revêtements et des substrats est essentielle, car la défaillance des fissures débute généralement à la surface des composantes. Les revêtements en céramique sont devenus la solution la plus fréquemment recherchée pour la protection du moteur à réaction. L'architecture du revêtement et la ténacité qui en découle ont été reconnues comme des facteurs clés, notamment pour la résistance à l'érosion par particules solides et à l'usure. Les revêtements de protection ont été abordés dans la littérature disponible, comme en témoignent les nombreuses contributions de notre propre laboratoire. Il a été clairement conclu que la manière la plus importante de faire progresser ce domaine est de mieux comprendre et d'adapter les RS qui, si elles sont bien contrôlées, peuvent atténuer la détérioration des surfaces et la sollicitation extérieure.  ABSTRACT: In the aerospace industry, many forms of material failure due to foreign object damage and fatigue of structures may lead to catastrophic events if they are not detected in time. Components moving at high speeds are particularly subject to cracking since they are exposed to harsh environments and to high stress levels. Through aircraft's lifetime, there is an increased likelihood of crack formation and propagation caused by material's damage, which represent significant challenges for engine development and in-service performance. The subject of this Ph.D. thesis has been proposed as a response to the needs of the aerospace industry to gain a better understanding of crack initiation, crack propagation and of the degradation mechanisms, especially erosion, wear and fatigue, to retard fatal failure on components located within a jet engine. This work focuses on a study of coated Ti-6Al-4V material due to its wide use on some of the most critical engine components, typically in stator and rotor parts. Surface engineering processes should consider protective coatings with ‘ideal' tribo-mechanical properties and processes to tailor residual stress (RS). In this respect, surface finishing of coatings and substrates is vital since crack failure normally originates at the component's surface. Ceramic coatings have become the most frequently sought solution for the protection of the jet engine. Coating architecture and the related toughness have been recognized as key factors, particularly for the solid particle erosion and wear resistance. Protective coatings have been covered in the available literature as documented by numerous contributions from our own laboratory. It has been clearly concluded that the most important way to advance this field is to better understand and tailor RS that, if well controlled, can mitigate surface deterioration and external solicitation.   In response, this thesis focuses on the investigation of protective coatings in the form of single layers and multilayers, with different RS values and RS depth profiles in relation to the mechanical performance. In the first part of this work, we studied single layer TiN coatings, reactively sputtered onto Ti-6Al-4V substrates, while assessing the effect of three interface engineering approaches: a) Argon plasma treatment, b) plasma surface nitriding, and c) Titanium sub-plantation. Each interface modified the microstructure and texture of both, coating and substrate. Consequently, the mechanical and tribo-mechanical properties show significant variation.


identifier: Xu, Y. (2021). Development of Poly(N-isopropylacrylamide) Based Hydrogel Platform and its Applications  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) est un polymère thermosensible qui subit une transformation conformationnelle réversible à la température de 32 °C, proche de la température corporelle. Cette caractéristique attrayante, combinée à sa structure définie pouvant être adaptée facilement, fait de lui un candidat idéal pour l'administration de médicaments. De plus, l'hydrogel correspondant est ainsi utilisé à grande échelle dans la culture des cellules et le domaine de l'ingénierie tissulaire. Pour utiliser son grand degré de gonflement et de contraction, des efforts ont été réalisés afin de développer des hydrogels à base de PNIPAM et les utiliser comme capteurs et actionneurs. Cependant, sa faible capacité de réaction à la température et sa résistance mécanique ont entravé ses potentielles applications dans ces domaines. Pour améliorer ces deux aspects, certaines technologies ont été utilisées séparément. Plus précisément, il a été rapporté qu'un réseau de polymères interpénétrés et des additifs réticulants permettent de renforcer les hydrogels de PNIPAM, tandis qu'un rapport de volume/surface élevé est le meilleur moyen d'accélérer sa vitesse de réaction à la température. En effet, le réseau de polymères interpénétrés comme le réseau réticulé servent de cadre pour limiter le mouvement des chaînes de PNIPAM face aux variations de températures. Ainsi, un rapport de volume/surface plus élevé, fabriqué par une technologie de formage poreux ou par structure fibreuse en électrofilage est important pour compenser l'effet secondaire résultant d'une résistance mécanique plus élevée. Compte tenu de la polyvalence, de la flexibilité et de la facilité de production de fibres, l'utilisation de l'électrofilage serait idéale pour fabriquer des hydrogels à base de PNIPAM présentant un rapport de volume/surface élevé.  ABSTRACT: Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) is a well-known thermoresponsive polymer that undergoes reversible conformational transition at temperature of 32 °C, which is close to human body temperature. This appealing feature, along with its well-defined structure which could be tailored easily, makes it perfect candidate for delivering drugs. In addition, the corresponding hydrogel is therefore widely applied in cell culture and tissue engineering fields. To utilize its large swelling and contraction degree, some efforts have also been made to develop PNIAPM-based hydrogels for the application as sensors and actuators. However, the poor temperature response capacity and mechanical strength have hindered its further application in these fields. To improve these two drawbacks, technologies have been employed separately. Specifically, interpenetrating polymer network and crosslinking additives have been reported to strengthen the PNIPAM hydrogels; while large volume to surface ratio is the main principle to accelerate its temperature responsive rate. In most cases, a higher mechanical strength would result in a worse temperature responsive rate. Because either interpenetrating polymer network or crosslinking network would serve as a framework to limit the movement of PNIPAM chains with temperature change. Thus, a higher volume to surface ratio fabricated either by porous forming technology or by fibrous structure via electrospinning is of significance to offset the side effect resulting from higher mechanical strength. Considering the versatility, flexibility and ease of fiber production, electrospinning would be a perfect candidate to be employed to fabricate PNIPAM-based hydrogel with high surface to volume ratio.