identifier: Bag, A. (2019). Effect of Shot Peening on the Axial Fatigue Life of 300M Steel  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le grenaillage est un procédé de déformation à froid couramment utilisé en fabrication aérospatiale. Ce procédé consiste à assujettir la surface d'une pièce métallique à un bombardement par billes projetées à grande vitesse. Il en résulte une déformation plastique de la surface accompagnée de contraintes résiduelles de compression et de matière écrouie dans la couche superficielle. Les contraintes résiduelles de compression et l'écrouissage s'opposent à amorçage et à la propagation des fissures. Ces effets sont donc favorables à la durée de vie en fatigue des pièces. Les effets désirables du grenaillage sont toutefois en compétition avec l'augmentation de la rugosité qui accompagne ce procédé, ce qui peut augmenter la concentration des contraintes et réduire la durée de vie en fatigue. Par conséquent, il est critique de régler les conditions opératoires du grenaillage afin de générer des contraintes résiduelles de compression suffisantes tout en conservant une rugosité de surface minimale. Les industries aérospatiales effectuent actuellement les opérations de grenaillage avec des réglages prédéfinis et sans faire appel aux mécanismes physiques sous-jacents.   Cette étude approfondit la connaissance des effets des réglages du grenaillage sur la durée de vie en fatigue de l'acier 300M sur un axe science des matériaux. Cet alliage sert habituellement dans les trains d'atterrissage des aéronefs. Cette étude cerne les caractéristiques qui influencent la durée de vie en fatigue du matériau pour les conditions d'essai fournies. L'étude sert aussi à déterminer si ces opérations de grenaillage sont bénéfiques et à quantifier ce bénéfice. Les résultats pourront servir aux industries aérospatiales pour optimiser leurs opérations de grenaillage sans devoir programmer des séries d'essais coûteuses.   Une série rigoureuse d'essais a été complétée afin de caractériser les propriétés globales micro structurelles (la taille des grains) et macro structurelles (propriétés mécaniques monotones et cycliques) du matériau. Les essais ont aussi évalué le comportement des fissures longues. Des essais de fatigue d'éprouvettes grenaillées et non-grenaillées ont été effectués par la suite. Deux amplitudes de contrainte ont servi aux essais de fatigue, soit 55% et 65% de la limite d'élasticité. La rugosité de surface, les contraintes résiduelles, et la relaxation des contraintes durant le chargement cyclique ont été quantifiés. La propagation des fissures courtes a aussi été étudiée. Les caractéristiques menant à l'amorçage des fissures ont été identifiées et décrites selon leurs tailles, leurs types, leurs compositions, et leurs fréquences d'occurrence. Les résultats représentent une contribution importante à la documentation disponible sur l'acier 300M grenaillé.  Il a été observé que les conditions de grenaillage étudiées n'ont aucune influence significative sur la durée de vie en fatigue du matériau pour de basses amplitudes de contrainte. Toutefois, les contraintes résiduelles de compression ont pu empêcher l'amorçage des fissures en surface. La durée de vie en fatigue a été gérée principalement par la taille des inclusions non-métalliques du matériau, peu importe l'état de la surface. Une relation empirique en loi de puissance entre la durée de vie en fatigue et la taille des inclusions a été proposée. De plus, la taille de l'inclusion la plus grande présente dans un volume donné d'acier a été prévue par analyse statistique. Cette dernière prévision a été accomplie à l'aide du modèle d'extremum de Gumbel.  Pour l'amplitude de contrainte la plus grande, la durée de vie en fatigue est gérée par deux types de discontinuités. Les discontinuités sont des discontinuités matérielles (des inclusions) et des discontinuités associées aux procédés (des traces de la rectification et du grenaillage). Pour comparer les durées de vie en fatigue des éprouvettes, il est nécessaire de prendre en compte la dispersion des durées de vie. La dispersion a été prise en compte à l'aide de l'estimateur statistique B-basis. Le B-basis est souvent utilisé dans le secteur aérospatial. Le B-basis a servi à estimer une limite inférieure pour la durée de vie en fatigue de chaque état de surface.  Un modèle analytique a été produit pour prévoir la durée de vie en fatigue en fonction de concepts de la mécanique de la rupture : la propagation des fissures longues et le facteur d'intensité de contrainte. Pour chaque condition de grenaillage, le modèle prend en compte la taille réelle des discontinuités causant amorçage des fissures pour prévoir le pire cas statistique de durée de vie en fatigue. Le modèle permet aussi de prévoir la caractéristique précise causant amorçage des fissures. Il a été trouvé que les effets désirables des contraintes résiduelles de compression, en combinaison avec les effets néfastes de la rugosité, déterminent la discontinuité dominante causant la défaillance. La compétition entre les caractéristiques capables de causer amorçage de fissures a été clairement démontrée en comparant les facteurs d'intensité de contrainte associés aux discontinuités.  Le modèle analytique et les limites statistiques obtenues par B-basis ont généré des prévisions similaires de durée de vie en fatigue limitée par amorçage de fissures causées par inclusions en surface ou sous la surface. Le B-basis a permis de choisir la condition S230-8A comme étant la condition optimale. Cependant, la valeur élevée du B-basis dans ce cas est associée à la faible dispersion des durées de vie. La faible dispersion s'explique par des rugosités de surface similaires et systématiques produites par la condition de grenaillage S230-8A. La valeur B-basis de la condition S230-8A est plus élevée selon le modèle analytique, ce qui démontre que les effets des contraintes résiduelles de compression sont importants au modèle dû aux effets souhaitables de ces contraintes. La condition S230-4A, quant à elle, a mené à des fissures amorcées par des inclusions subsurfaciques dans 75% des cas et a produit des durées de vie en fatigue comparables à celles de la condition S230-8A. Le 25% complémentaire correspond à des fissures s'étant amorcées près des discontinuités associées aux procédés en absence de discontinuités de grande taille. Les fissures de ce 25% ont mené à une durée de vie en fatigue minimale deux fois plus longue que celle de la condition S230-8A. Ceci mène à la conclusion que la condition S230-4A représente le meilleur compromis entre les effets souhaitables des contraintes résiduelles de compression (pour empêcher amorçage des fissures et retarder leur propagation) et la rugosité indésirable induite par le grenaillage. La conclusion est donc que les billes S230, plus grandes, projetées à une intensité faible de 4A, permettent un grenaillage optimal la durée de vie en fatigue de l'acier 300M pour de hautes amplitudes de contrainte.  Le modèle analytique a été modifié pour inclure les effets des contraintes résiduelles de compression et de la microstructure, qui affectent la propagation des fissures courtes dans les éprouvettes grenaillées. Le modèle amélioré a permis la prévision des durées de vie en fatigue d'éprouvettes en sablier rectangulaires avec une justesse d'environ 15%. Ces éprouvettes sont celles avec lesquelles ont été effectuées les essais de propagation de fissures courtes.  Le modèle analytique produit représente un outil fiable pour la sélection des meilleures conditions de grenaillage pour la performance en fatigue axiale pour une contrainte donnée. De plus, la large gamme de résultats expérimentaux générés dans la cadre de cette étude pourront servir de référence pour la validation de modèles futurs.  ABSTRACT: Shot peening is a cold working process widely used in the aerospace industry, which consists in bombarding a metallic component's surface with high velocity shots. This plastically deforms the surface and induces compressive residual stresses and strain hardening in the material's surface layer. These compressive residual stresses and cold work inhibit crack initiation and delay short crack propagation, which is beneficial to fatigue life. Nevertheless, a possible detrimental effect of shot peening is the associated roughness which produces stress concentrations that can reduce fatigue life. Therefore, the proper choice of peening conditions yielding sufficiently high compressive residual stresses while maintaining minimum surface roughness is crucial.   Currently, the aerospace industries use pre-set conditions for peening without proper knowledge of the underlying physical mechanisms. The present study aims to provide a better understanding of the effects of the different peening conditions on the fatigue life of 300M steel (typically used in aircraft landing gears) from a material science perspective. The study identifies the features that influence the fatigue life of the material under the given testing conditions and whether peening is indeed beneficial, and if so, to what extent. This would aid the aerospace industries to optimize the peening process in order to harness its benefits to the fullest, thereby eliminating the need for costly trial and errors.  A rigorous experimental campaign was launched to firstly characterize the bulk material microstructural (grain size) and macrostructural properties (monotonic and cyclic mechanical properties) as well as long crack propagation behavior. This was followed by fatigue testing of unpeened and peened specimens at two stress amplitudes (55% and 65% of the yield strength). Surface roughness, residual stresses and their relaxation during cyclic loading were quantified. Short crack propagation behavior was also studied for these specimens. Features responsible for fatigue crack initiation were identified and characterized in terms of size, type, composition and occurrence frequency. The generated results add significantly to the scarce literature available for shot peened 300M steel.   It was observed that the studied peening conditions had no significant influence on the fatigue life of the material at the lower stress amplitude. Nevertheless, the compressive residual stresses were able to prevent surface crack initiation. The fatigue life was mainly governed by the size of the material non-metallic inclusions irrespective of the surface condition. An empirical power law relationship was therefore proposed between the fatigue life and inclusion size. In addition, the largest inclusion present in a given volume of steel was statistically predicted using the Gumbel extreme value model.    At the higher stress amplitude, the fatigue life was governed by two types of discontinuities, material discontinuities (inclusions) and process-related discontinuities (grinding marks and peening induced discontinuities). To compare the fatigue lives of the specimens, it is necessary to consider the fatigue life dispersion. This consideration is taken into account by B-basis, which is a statistical estimate commonly used in the aerospace sector. Hence, B-basis was used to calculate a statistical lower bound for the fatigue lives for each surface condition.   An analytical fatigue life prediction model was developed based on fracture mechanics concepts of stress intensity factor and long crack propagation. The model took into account the actual crack initiating discontinuity sizes and successfully predicted the worst-case fatigue life scenarios, as well as the responsible crack initiation feature for each peening condition. The coupled beneficial effect of CRS and the detrimental effect of roughness was found to determine the dominant discontinuity causing failure. The competition between the crack initiating features was well demonstrated by comparing the stress intensity factors characterizing the discontinuities.   The analytical model and the statistically obtained B-basis values yielded similar fatigue lives for crack initiation caused by surface and subsurface inclusions. Using B-basis, the best shot peening condition was found to be the one using S230 shot at an intensity of 8A. However, the high B-basis in this case was related to the low dispersion in fatigue lives resulting from similar and systematic roughness features produced by this peening condition. The B-basis value for the specimens peened using S230 shot at 8A intensity was higher than the analytical model prediction, showing that the effect of CRS needs to be considered in the model. This reflects the beneficial effect of peening induced CRS in delaying crack propagation. For the specimens peened with S230 shot at an intensity of 4A, 75% of the cracks initiated at subsurface inclusions and produced similar fatigue lives as those peened using S230 shot at 8A intensity. The remaining 25% cracks which initiated at the process induced surface discontinuities in absence of large inclusions, nevertheless, exhibited a minimum fatigue life about 2 times higher than that for the specimens peened using S230 shot at 8A intensity. This shows that the condition using S230 shot at an intensity of 4A represents the optimal trade-off between the beneficial effect of CRS in preventing crack initiation from surface inclusions and delaying crack propagation, and the detrimental effect of the peening induced surface roughness. Therefore, it was concluded that peening with larger S230 shot at a low peening intensity of 4A would yield the best fatigue life for the studied 300M steel subjected to higher stress amplitude conditions.   The analytical model was further modified to incorporate the effect of the compressive residual stresses and microstructure that affect short crack propagation behavior in peened specimens. The improved model was able to predict with an accuracy of ~15%, the average fatigue life of rectangular hourglass specimens on which the short crack propagation tests were performed.   The analytical model could thus offer a reliable tool to guide the choice of optimum peening conditions at the desired stress level based on their axial fatigue performance. In addition, the vast experimental data generated in this study would serve as valuable input for validating life prediction models developed in future.


identifier: George, B. (2019). Patterned Porous Carbon for Electrospray Ion Thrusters  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les satellites miniatures gagnent en importance dans l'industrie spatiale. L'amélioration des mini capteurs commerciaux, la diminution des coûts de fabrication et de lancement ainsi que l'apparition de nouvelles méthodes de déploiement ont permis au satellite miniature de réduire les coûts d'applications spatiales longtemps onéreuses. Celui-ci permet notamment de réaliser de la télédétection, de la surveillance météorologique ou encore de l'exploration sans pilote dans l'espace lointain. Cependant, son utilisation est conditionnée à l'apparition de systèmes de propulsions adéquat devant respecter des contraintes dimensionnelles et sécuritaires strictes au milieu spatial. Les systèmes de propulsion à fluide comprimé, comme les fusées et les systèmes à gaz froid, fourniraient une poussée suffisante et ont été miniaturisés avec succès, mais ils ne sont pas en mesure de propulser le satellite miniature pendant toute la durée d'une mission. Les systèmes électriques peuvent eux assurer la propulsion sur toute la durée d'une mission, mais ne fournissent pas une quantité de poussée suffisante. Néanmoins, ces derniers peuvent être miniaturisés et combinés ensemble pour assurer une propulsion du satellite homogène durant une mission prolongée. En utilisant un liquide ionique comme source d'ions, il est possible de développer un système électro-spray ionique compact, dans lequel le liquide est éjecté par le biais de tensions d'accélération élevées émises par un émetteur poreux ou capillaire.  ABSTRACT: Miniature satellites are gaining importance in the space industry. With the increasing capability of miniaturized commercial-of-the-shelf sensors, low manufacturing and launch costs, and the release of new swarming methodologies, miniature satellites can lower costs for applications like remote sensing, weather monitoring, unmanned deep-space exploration, etc. One handicap to adoption and development has been the lack of propulsion systems, which must align with strict dimensional and safety constraints, and provide thrust for orbital maneuvers and propulsion. Compressed fluid propulsion systems, that include rockets and cold gas systems, provide thrust and have been successfully miniaturized, but are unable to propel the satellite over the entire mission. Electrical systems can provide propulsion over the entire mission duration, but do not provide the same amount of thrust as compressed fluids. However, electrostatic propulsion systems can be miniaturized and multiplexed to provide consistent satellite propulsion over an extended mission lifetime. By using ionic liquid as the ion source, a compact ionic electrospray system, where the liquid is ejected by high accelerating voltages from a porous or capillary emitter, can be developed.


identifier: Greffier, L. (2019). Perchage automatique de drones basé sur la vision artificielle  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation de l'intelligence artificielle et de la vision se développe considérablement dans l'industrie des drones, notamment pour la saisie ou le dépôt d'objets ou encore pour l'atterrissage. Le perchage de drone, étroitement lié à ces tâches, commence également à se développer. Cette faculté permettrait aux drones de réaliser de nouvelles tâches mais aussi de combler leurs inconvénients tels que leur faible durée de vol ou le fait qu'ils soient fragiles. Par exemple, cela assurerait à un drone de se poser en cas de fin de batterie ou de mauvaises conditions climatiques. Les techniques actuelles de perchage ou de saisie d'objet effectuées à partir de la vision artificielle et d'un système de préhension ajouté au drone, se basent seulement sur la détection d'objets. Les objets/supports, lors des tests, sont sélectionnés en avance par les chercheurs afin d'avoir une bonne concordance avec le préhenseur. Ainsi, dans le cas où le support possède une forme complexe ou encore des dimensions trop différentes par rapport à celles du préhenseur, le drone le détectera et essayera de s'y percher sans succès. L'objectif de cette maîtrise recherche est de développer un système de détection d'objets, par vision par ordinateur, qui selon les caractéristiques du préhenseur du drone, détecte les objets, leur attribue un score de concordance et renvoie le support idéal. Le score de concordance, que nous avons établi et nommé "CSP" (Concordance Support-Préhenseur) dans ce mémoire, se détermine à partir de la comparaison entre l'intervalle d'ouverture du préhenseur et les dimensions réelles des objets. La réalisation d'une comparaison ainsi que l'utilisation d'un score de concordance pour la détermination d'un support adéquat est une procédure que nous avons élaborée. Partant d'un algorithme de détection basé sur la classification et la segmentation des objets détectés, la solution proposée dans ce mémoire a été développée en 3 phases : 1. Entrainement supervisé du réseau de neurones de l'algorithme de détection pour de nouvelles classes d'objets adaptées au perchage de drone. 2. Conception d'un algorithme, permettant de réaliser une comparaison entre les dimensions des objets détectés et celles du système de préhension dans le but de déterminer le support idéal pour le perchage du drone. 3. Évaluation des performances du modèle de détection complet, regroupant les deux algorithmes, à partir de tests réalisés sur un ensemble d'objets avec des paramètres et des conditions d'environnement différents entre chaque test. Cette évaluation a démontré la précision et la fiabilité de notre système dans la détermination du support idéal à partir de la vision artificielle. Nous avons effectué un ensemble de 36 tests avec pour chaque test un paramétrage différent. De plus, chaque test a été effectué avec un nombre de 10 répétitions soit avec une configuration des paramètres identique dans le but d'avoir des résultats plus fiables. Ces tests ont été réalisés avec une caméra ayant une résolution 640 x 480 et une carte graphique GTX 1080Ti (GPU). La performance globale de notre système obtient un taux de succès de 84.17 % dans la détermination du support idéal. Ce taux de succès atteint même les 100 % dans le cas d'une différence de diamètre d'au moins 20 mm entre les objets détectés. La vitesse d'exécution du modèle, dans le cas d'un seul objet détecté par image, prend en moyenne 0.42 seconde pour l'analyse d'une image, ce qui correspond à 2.38 fps. Le fait d'obtenir un temps d'exécution efficace dans le traitement de chaque objet permet ainsi de garder une fluidité dans la détection lors du déplacement de la caméra et ainsi d'éviter les mauvaises détections et/ou mauvaises segmentations.  ABSTRACT: The use of artificial vision and artificial intelligence in drones applications is experiencing rapid growth, particularly in pick and drop applications but also in drone landing. Drone perching, being closely linked to applications stated above, has also begun to emerge. This research would allow the drones to realize new tasks but also to mitigate their disadvantages such as their short flight time or their fragility. Current perching and object grasping approaches are carried out by utilizing artificial vision and robotic grippers integrated with the drones. The target objects or their handles are chosen in a way to match the geometry of the gripper. Thus, in case where supports have complex form or dimensions too differents in comparison with gripper dimensions, perching won't be avaiblable. The purpose of this study is to develop a detection system that uses computer vision to return ideal support for drone perching. The ideal support corresponds to the object with the best matching score. The matching score, that we have developed and called "CSP" (Concordance Support-Préhenseur) in this study, is determined from the comparison between the gripper opening and the real object dimension. The implementation of this comparison as well as the utilization of matching score to the determination of the best support is a method that we created. The suggested solution in this study is based on a detection algorithm which uses the classification and segmentation of objects. The several stages of the uses method are enumerated as follows : 1. Supervised training of neural network detection algorithm for new objects classes adapted to drone perching. 2. Conception of an algorithm, allowing to realize a comparison between object dimensions and grasping system dimensions in order to determine the ideal support. 3. Evaluation of the global system performances thanks to tests performed on a set of objects. This evaluation has shown the precision and the reliability of our system in the ideal support determination based on artificial vision. We used a set of 36 tests with, for each test, different parameter values and different environmental conditions. Moreover, each test has been performed with a number of 10 repetitions for a given configuration in the purpose to obtain more reliable results. These tests have been made using a camera with a resolution of 640 x 480 and a graphic processor unit GTX 1080Ti (GPU). The global performance of our system obtains a success rate of 84.17 % in the ideal support determination. This success rate even reaches 100 % in the case where the difference between the diameter of each object is at least 20 mm. The execution speed of this model, with only one detected object by image, takes on average 0.42 second for the analysis of one image, which corresponds to 2.38 fps. To maintain fluidity and thus to avoid wrong detections and/or segmentations during camera motion, an efficient execution time is needed in the treatment of each object.


identifier: Ouakil, A. N. (2019). Planification tactique du cargo aérien : comparaison entre deux formulations en programmation linéaire  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'étude menée durant cette maîtrise porte sur la planification à moyen terme, aussi appelée planification tactique, de la filiale cargo de la compagnie aérienne Air Canada. Le but de cette étude est de tester la capacité à répondre à la demande du marché cargo, et ce, en utilisant le réseau de vols d'Air Canada, mais aussi de déterminer un plan d'acheminement des marchandises à travers ce même réseau. En effet, l'une des hypothèses clés dans ce projet est que toute la demande cargo se doit de transiter à travers la capacité résiduelle des vols commerciaux de transport de passagers. À ce niveau de planification, la demande est agrégée de façon dans le but de voir l'impact de larges variations de la demande globale du marché. En effet, cette agrégation se fait pour deux raisons majeures. La première étant que la taille des données brutes est colossale, et nécessite d'être réduite pour avoir des temps de résolution raisonnables. Concernant la deuxième raison, elle est en rapport avec l'aspect prévisionnel de la demande. Les résultats expérimentaux des travaux de recherche menés ont démontrés que le regroupement des paires Origine-Destination de la demande diminuait leurs variations. Pour ce faire, l'agrégation se fait dans un processus en deux étapes durant lequel il s'agit de regrouper des terminaux dans des hubs logistiques, et ce, à l'aide d'un modèle mathématique de groupement de terminaux, implémenté à travers un programme linéaire en nombres entiers, pour ensuite regrouper les paires Origine-Destination ensembles. Dans la première phase de recherche qui porte sur l'agrégation des demandes, il a été remarqué que le regroupement de paires Origine-Destination introduisait de l'erreur, car de façon générale, le coût de transport de deux différentes paire Origine-Destination n'est pas forcément le même. En considérant cette erreur sur le coût, ceci a mené vers la recherche d'un bon compromis entre le coût et la variation de la demande. L'agrégation de la demande étant faite, il a été temps d'étudier le problème d'acheminement de la demande cargo à travers le réseau de la compagnie. Deux modèles mathématiques de programmation linéaire ont été développés afin de résoudre ce problème, le but est de les confronter aux mêmes tests, et analyser les résultats obtenus pour chaque modèle afin de conclure sur leurs efficacités. Dans la première formulation, les variables de flot sont définies sur des arcs, tandis que dans la deuxième, elles sont définies sur des chemins. Il est ressorti de cette comparaison que le modèle à base de chemin était plus prometteur sur plusieurs aspects dont la génération à priori des chemins qui permet de modéliser des contraintes compliquées, les temps de résolution, ainsi que l'espace mémoire nécessaire à la résolution. De plus, pour l'application éventuelle de cet outil d'aide à la décision, Air Canada Cargo dispose déjà d'un générateur de chemins qui prend en compte toutes les contraintes du problème.  ABSTRACT: Cargo companies, just like any other company, are striving to do better and be more profitable. In order to do so, this continuous improvement has to include strategic decisions about evaluating and adapting the network. The company has to study the optimal shipment of the forecasted demand in the network for the following season. Given a set of demands to be transported from origins to destinations and a set of flights, the objective is to deliver the freight to destination through the network as efficiently as possible. However, operations are constrained by the physical characteristics of the infrastructure and the operational policies of the airports. To this end, we describe two different formulations of the problem and their implementations. At this level of planning, the aim is to determine an efficient allocation of physical and human resources to improve the transportation system. As we are not concerned with day-to-day operations, data is aggregated to decrease the size of the problem and also to improve the demand forecasting. Once the demand is aggregated, it needs to be transported through the existing service network. To do so, we created two linear programming mathematical models. The main goal is to compare their efficiency. The first formulation, flow variables are defined on arcs, whereas in the second one, flow variables are defined on paths. This study showed that path-based models are more efficient when it comes to solving large-scale problems such as this industrial case. Also, an a priori generation of paths is more convenient to formulate complex non-linear constraints. In addition to that, Air Canada Cargo has an entirely functional router that takes into consideration all the problem constraints.


identifier: Wu, Y. (2019). Investigating the Durability of Stellitte Hardfacing Components Used in the Power Generation Industry  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le secteur de la production d'énergie, les valves jouent un rôle essentiel dans la gestion du flux de vapeur à haute température et à haute pression. Elles sont utilisées pour démarrer et arrêter le flux, réguler le flux ou contrôler le sens du flux. Le fonctionnement des valves telles que l'ouverture et la fermeture peut provoquer l'usure des matériaux de la valve. Les progrès de la technologie des matériaux et des techniques de fabrication permettent aux valves de fonctionner à haute température. Par exemple, en appliquant l'alliage de surfaçage dur S6 sur les surfaces d'étanchéité des valves, un faible frottement est garanti et la résistance à l'oxydation et à la corrosion est également améliorée. Cependant, la délamination des alliages de surfaçage dur des valves représente un défi majeur pour le monde de la production d'électricité. Dans ce contexte, nous cherchons en premier lieu les causes de la délamination ; d'autre part, nous proposons des solutions pour améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur Stellite.  Afin d'accomplir ces objectifs, une étude de l'évolution de la microstructure et des propriétés méchaniques du surfaçage dur durant la fabrication et le service des composants. Un traitement thermique après soudage (PWHT) à 760 °C d'une durée de 2 h fût performé sur les composants de surfaçage dur durant le processus de fabrication. Les conditions de service du surfaçage dur furent étudiées par vieillissement à des températures variant entre 550 et 700 °C pour des durées variant entre 1008 et 8760 heures. La microstructure fût caractérisée par OM, SEM, EDS et EBSD. La caractérisation mécanique fût effectuée par micro et nano-indentation, tests d'impact Charpy et par test de tension. Les contraintes résiduelles ont été testées par diffraction de neutrons.  Premièrement nous avons exploré l'effet du PWHT sur la microstructure, la dureté et les contraintes résiduelles des composants de surfaçage dur. Il a été observé que le PWHT diminue significativement la dureté du HAZ dans l'acier dû à la formation d'une microstructure en martensite revenue. De plus, il peut réduire substantiellement les contraintes résiduelles dans l'acier et homogénéiser les contraintes dans les composants de surfaçant dur.  Après la fabrication, nous avons étudié l'évolution de la microstructure interfaciale F91/S21 des composants de surfaçage dur. Les résultats ont montré que l'interface F91/S21 est instable lors du vieillissement en raison de la formation d'une couche interfaciale dure. En étudiant sa cinétique de croissance, il a été constaté que cette couche interfaciale suit un taux de croissance parabolique. En appliquant des méthodes de caractérisation complémentaires, trois phases, à savoir une phase FexCoy de type BCC, un carbure de type M23C6 riche en Cr et une phase σ de type (Fe,Co) (Cr,Mo) ont été identifiées dans cette couche interfaciale. D'après les cartographies de nano-indentation obtenues sur l'interface F91/S21, les carbures M23C6 et la phase σ sont nettement plus durs que les autres phases. De plus, il a été constaté que les carbures M23C6 grandissaient avec la température et la durée de vieillissement, alors que la quantité de phase σ diminuait avec la température.  Pour donner suite à l'exploration de l'évolution de la microstructure interfaciale F91/S21, nous avons étudié les effets de la microstructure interfaciale F91/21 sur les propriétés mécaniques des composants de surfaçage dur au moyen de tests d'impact Charpy. Une géométrie innovante de l'encoche en U Charpy a été conçue, c'est-à-dire que l'interface F91/S21 était centrée dans l'encoche. Une diminution considérable de l'énergie après le vieillissement est attribuée à la couche interfaciale formée, où les craques primaires se propagent. Les composants de surfaçage dur vieillis présentent des défaillances par fissures fragiles. Il a été trouvé que les carbures M23C6 jouent un rôle plus important que la phase σ dans la dégradation de la ténacité lors des tests d'impact. Il est proposé que les facteurs microstructuraux contribuant au délaminage des alliages de surfaçage dur des soupapes à haute température soient la formation de ces phases dures.  Ensuite, nous avons réalisé une étude comparative sur l'évolution de la microstructure et les propriétés mécaniques des composants de surfaçage dur en utilisant l'IN82 comme alternative à la couche tampon S21. Comparativement aux composant de surfaçage dur S21, aucune couche interfaciale nuisible fût observée à l'interface F91/S21 après le vieillissement. La diminution de la ténacité des composants de surfaçage dur IN82 s'est avérée beaucoup moins importante que celle de S21, et, de plus, serait reliée à la formation grossière et à la précipitation des carbures intergranulaires/interdendritiques dans le IN82 plutôt qu'à l'interface F91/IN82.  En plus du IN82, les composants de surfaçage dur IN625 furent étudiés en raison du bas prix. L'interface F91/IN625 et le matériel massif IN625 se sont démontrés comme moins stables que les composants de surfaçage dur IN82 dû aux précipités formés durant le vieillissement. Bien que l'interface F91/IN625 ne soit pas le lien le plus faible durant les tests de tension, certains spécimens Charpy présentent des défaillances le long de l'interface F91/IN625, résultant possiblement des précipités parallèles à l'interface. La perte d'énergie d'impact est significative (88%) après un vieillissement de 650 °C pour 8760 h. Il n'est pas recommandé d'utiliser la couche tampon IN625. Finalement, l'étude d'un composant d'ex-service a validé notre étude en laboratoire sur les composants de surfaçage dur S21. La fissure de délamination s'est propagée dans les zones riches en phases σ de la couche de S21. Cela s'explique par le fait que la phase σ s'est formée loin de l'interface, profondément dans le S21 via le chemin de diffusion aux limites de grain après plusieurs années de service. Le temps de service réel et la température concorde avec le temps et la température équivalente attendue par extrapolation.  Lors du service des valves, il existe également d'autres facteurs tels que le cyclage thermique et les contraintes induites par le fonctionnement (ouverture et fermeture des valves), en plus du vieillissement. Ils n'ont pas été pris en compte pour l'expérimentation. Cependant, nous pensons que les objectifs de ce travail ont été atteints. À savoir, les causes des défaillances prématurées ont été identifiées et les solutions alternatives pour améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur ont été validées.  Pour relever le défi du délaminage d'alliages de surfaçage dur provenant de valves haute température, la couche tampon IN82 constitue une bonne alternative pour remplacer la couche tampon problématique S21, qui peut améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur. Néanmoins, en raison de la dilution plus élevée de Fe et de Ni, la dureté de la couche supérieure de S6 déposée sur la couche tampon IN82 est compromise par rapport au S6 déposé sur la couche tampon de S21. Par conséquent, il est proposé que davantage de couches de S6 puissent être déposées pour maintenir sa dureté en fonction des applications. De plus, les paramètres de soudure utilisés durant la fabrication peuvent être optimisés pour réduire la dilution et maintenir la dureté du S6.  Pendant le service des valves, il y a aussi d'autres facteurs comme le cycle thermique et le stress induit par les opérations (ouverture et fermeture des valves) qui s'additionnent au vieillissement. Ces paramètres n'ont pas été pris en compte durant les expérimentations. D'autre part, nous croyons fortement que les objectifs établis dans le Chapitre 1 ont été atteints. Notamment, les causes d'échecs prématurés ont été identifiées et les solutions alternatives pour améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur ont été validées.  Afin de répondre au défi de la délamination des alliages de surfaçage dur dans les valves hautes-températures, la couche tampon de IN82 est une bonne alternative à celle problématique de S21, car elle peut améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur. Néanmoins, due à une plus grande dilution de Fe et de Ni, la dureté de la couche supérieure de S6 déposée sur la couche tampon de IN82 est compromise quand elle est comparée avec le S6 déposé sur la couche tampon de S21. Donc, il est proposé que plus de couches de S6 peuvent être déposées afin de maintenir la dureté dans les applications où la résistance à l'usure est critique.  ABSTRACT: In the power generation industry, valves play a vital role, which manage the flow of high-temperature and high-pressure steam. They are used to start and stop the flow, regulate the flow, or control the direction of the flow. Operation of valves such as opening and closing can cause wear of valve materials. Advances in material technology and manufacturing techniques enable valves to operate at high temperatures. For instance, by applying the hardfacing alloy S6 onto the sealing surfaces of valves, wear, oxidation and corrosion resistance are improved. However, delamination of hardfacing alloys from valves has presented a major challenge to the power generation world. In this context, we aim at investigating the causes of delamination failures. In addition, we target at proposing solutions to enhance the durability of Stellite hardfacing components.  To fulfill the objectives, we carried out a comprehensive study on the microstructure evolution and mechanical properties of three types of hardfacing components during manufacturing and service. A PWHT at 760 °C for 2 h was performed on the hardfacing components during the manufacturing process. Valves are usually used at elevated temperatures for long duration. Aging experiments at four temperatures ranging from 550 to 700 °C for three exposure times within a one-year period were conducted on the hardfacing components. The microstructure was characterized using OM, SEM, EDS, and EBSD. The mechanical characterization was undertaken using nano- and micro-indentation, Charpy impact, and tensile testing. The residual strains/stresses were measured using neutron diffraction.   First, we explored the effects of the PWHT on microstructure, hardness and residual stresses of the hardfacing components to reduce the risk of failures introduced in process. The PWHT was found to soften the high-hardness HAZ in the steel significantly due to the formation of the tempered-martensitic microstructure. Moreover, it can reduce the residual stresses in steel substantially and homogenize the strains across the hardfacing component.  After manufacturing, we studied the F91/S21 interfacial microstructure evolution of the problematic S21 hardfacing components. A layer was found to grow along the F91/S21 interface during aging, which follows a parabolic rate of growth. Three phases including an (Fe,Co)(Cr,Mo)-type σ phase and a Cr-rich M23C6-type carbide were identified in this interfacial layer through the complementary characterization methods. This interfacial layer is harder than the S21 and the F91 materials due to the presence of the hard σ phase and M23C6 carbides. The M23C6 carbides were found to grow with aging temperature and time.  However, lesser amount of the σ phase was observed at higher temperatures studied.  Following the exploration of the F91/S21 interfacial microstructure evolution, we investigated the effects of F91/S21 interfacial microstructure on the mechanical properties of S21 hardfacing components by means of Charpy impact testing. An innovative Charpy U-notch geometry was designed. That is, the F91/S21 interface was centered in the notch. The significant decrease in impact energy after aging is resulted from the interfacial layer formed, where the primary cracks propagate. The aged S21 hardfacing components were found to fail in a brittle fashion. Both the the σ phase and M23C6 carbides were found to contribute to the toughness degradation during the impact testing, though the M23C6 carbides play a more important role than the σ phase. It is proposed that these two hard phases are the microstructural causes for the delamination of Stellite hardfacing from valves.   Then, we performed a comparative study on the microstructure evolution and mechanical properties of hardfacing components using the IN82 alloy as an alternative to the problematic S21 buffer layer. Compared with the S21 hardfacing components, no deleterious interfacial layer was observed along the F91/IN82 interface after aging. The impact toughness degradation in the IN82 hardfacing components was found to be much less significant than that of the S21, and in addition, to be related to coarsening and precipitation of the intergranular/interdendritic carbides in the IN82 bulk material rather than the F91/IN82 interface.  In addition to the IN82 alloy, the IN625 hardfacing components were investigated due to low cost. Both the F91/IN625 interface and the IN625 bulk material were found to be not as stable as the IN82 hardfacing components because of the presence of precipitates during aging. Though the F91/IN625 interface is not the weakest link during the tensile testing, some Charpy specimens were found to fail along the F91/IN625 interface possibly resulted from the precipitates parallel to the interface. The impact energy loss is significant (88%) after aging at 650 °C for 8760 h. It is not recommended to use the IN625 buffer layer.  Finally, the examination of an ex-service wedge gate valve validates our laboratory study on the S21 hardfacing components. The delamination crack was observed in the zones enriched with the σ phase of the S21 bulk material. It is because large amounts of the σ phase precipitate deeply into the S21 bulk material via the grain boundary diffusion path after years of service. The service time and temperature of this ex-service component fulfill the expected equivalent time and temperature by extrapolation.  During service of valves, in addition to aging, there are other factors such as thermal cycling and operation induced stresses (opening and closing of valves). They were not taken into account by our experimentation. However, we do believe that the objectives of this work have been fulfilled. Namely, the causes of the premature failures have been identified and the alternative solutions to enhance the durability of the hardfacing components have been validated.  To meet the challenge of delamination of hardfacing alloys from high-temperature valves, the IN82 buffer layer is a good alternative to replace the problematic S21 buffer layer, which can enhance the durability of the hardfacing components. However, due to higher dilution of Fe and Ni, the hardness of S6 top layer deposited on the IN82 buffer layer is compromised compared with the S6 deposited over the S21 buffer layer. To mitigate this downside, it is proposed that more S6 layers can be deposited to maintain its hardness according to the applications. Moreover, the welding parameters used during manufacturing can be optimized to reduce the dilution, and thus to maintain the S6 hardness.


identifier: Cai, M. (2019). Parallel and Multistep Simulation of Power System Transients  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La simulation des régimes transitoires électromagnétiques (EMT) est devenue indispensable aux ingénieurs dans de nombreuses études des réseaux électriques. L'approche EMT a une nature de large bande et est applicable aux études des transitoires lents (électromécaniques) et rapides (électromagnétiques). Cependant, la complexité des réseaux électriques modernes qui ne cesse de s'accroître, particulièrement des réseaux avec des interconnexions HVDC et des éoliennes, augmente considérablement le temps de résolution dans les études des transitoires électromagnétiques qui exigent la résolution précise des systèmes d'équations différentielles et algébriques avec un pas de calcul pré-déterminé. En tant que sujet de recherche, la réduction du temps de résolution des grands réseaux électriques complexes a donc attiré beaucoup d'attention et d'intérêt. Cette thèse a pour objectif de proposer de nouvelles méthodes numériques qui sont efficaces, flexibles et précises pour la simulation des régimes transitoires électromagnétiques des réseaux électriques. Dans un premier temps, une approche parallèle et à pas multiples basée sur la norme Functional Mock-up Interface (FMI) pour la simulation transitoire des réseaux électriques avec systèmes de contrôle complexes est développée. La forme de co-simulation de la norme FMI dont l'objectif est de faciliter l'échange de données entre des modèles développés avec différents logiciels est implémentée dans EMTP. Tout en profitant de cette implémentation, les différents systèmes de contrôle complexes peuvent être découplés du réseau principal en mémoire et résolus de façon indépendante sur des processeurs séparés. Ils communiquent avec le réseau principal à travers une interface de co-simulation pendant une simulation. Cette méthodologie non seulement réduit la charge de calcul total sur un seul processeur, mais elle permet aussi de simuler les systèmes de contrôle découplés de façon parallèle et à pas multiples. Deux modes de co-simulation sont proposés dans la première étape du développement, qui sont les modes asynchrone et synchrone. Dans le mode asynchrone, tous les systèmes de contrôle découplés (esclaves) sont simulés en parallèle avec le réseau principal (maître) en utilisant un seul pas de calcul tandis que le mode synchrone permet une simulation séquentielle en utilisant différents pas de calcul dans le maître et les esclaves.  La communication entre le maître et les esclaves est réalisée et coordonnée par des fonctions qui implémentent le primitif de synchronisation de bas niveau sémaphore.  ABSTRACT: The simulation of electromagnetic transients (EMT) has become indispensable to utility engineers in a multitude of studies in power systems. The EMT approach is of wideband nature and applicable to both slower electromechanical as well as faster electromagnetic transients. However, the ever-growing complexity of modern-day power systems, especially those with HVDC interconnections and wind generations, considerably increases computational time in EMT studies which require the accurate solution of usually large sets of differential and algebraic equations (DAEs) with a pre-determinded time-step. Therefore, computing time reduction for solving complex, practical and large-scale power system networks has become a hot research topic. This thesis proposes new fast, flexible and accurate numerical methods for the simulation of power system electromagnetic transients. As a first step in this thesis, a parallel and multistep approach based on the Functional Mock-up Interface (FMI) standard for power system EMT simulations with complex control systems is developed. The co-simulation form of the FMI standard, a tool independent interface standard aiming to facilitate data exchange between dynamic models developed in different simulation environments, is implemented in EMTP. Taking advantage of the compatibility established between the FMI standard and EMTP, various computationally demanding control systems can be decoupled from the power network in memory, solved independently on separate processors, and communicate with the power network through a co-simulation interface during a simulation. This not only reduces the total computation burden on a single processor, but also allows parallel and multistep simulation for the decoupled control systems. Following a master-slave co-simulation scheme (with the master representing the power network and the slaves denoting the decoupled control systems), two co-simulation modes, which are respectively the asynchronous and synchronous modes, are proposed in the first stage of the development. In the asynchronous mode, all decoupled subsystems are simulated in parallel with a single numerical integration time-step whereas the synchronous mode allows the use of different numerical time-steps in a sequential co-simulation environment. The communication between master and slaves is coordinated by functions employing the low-level synchronization primitive semaphore.


identifier: Liu, R. (2019). Theoretical and Experimental Investigation of Near-Field Multi-Focusing Systems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans les systèmes de communication modernes, les fonctionnalités d'efficacité énergétique et d'efficacité du spectre sont mises en évidence, attirant de plus en plus l'attention dans la conception des systèmes et des appareils grâce à la demande croissante en débit de données, densité et nombre de terminaux utilisateurs. La technique multi-faisceaux est une caractéristique essentielle de la conception du réseau d'antennes pour systèmes sans fil, qui peut être utilisée pour prendre en charge plusieurs utilisateurs et plusieurs spots avec une grande efficacité. Dans ce travail de recherche, une série de méthodes de développement d'un réseau d'antennes comportant multi-faisceaux de rayonnement électromagnétique dans sa région de champ proche est proposée et présentée. Les travaux de recherche sur la mise au point multiple en champ proche couvrent le développement d'algorithmes, la conception de composants associés, la discussion sur les propriétés de focalisation et leurs méthodes d'amélioration, ainsi que le développement de fonctions d'exploitation et de scénarios d'application.  Dans ce travail, un certain nombre d'algorithmes de modélisation du réseau d'antennes prenant en compte le modèle de champ proche, la compensation de phase et la stratégie d'optimisation sont développés afin non seulement d'identifier les emplacements spatiaux de multiples points focaux dans la région de champ proche, mais également de formuler le modèle de faisceau à ou autour de ces points focaux. Dans l'essentiel, les algorithmes proposés visent essentiellement à réaliser une mise en forme de motif dans la région de champ proche en mettant un accent particulier sur les aspects de conception tels que l'ajustement de la localisation spatiale des points focaux, la spécification des distributions d'amplitude et de phase et l'attribution de polarisations.La réalisation pratique est également une partie importante de ce travail qui s'intéresse au développement de réseaux d'antennes multi-focales dans la région du champ proche. Par conséquent, les composants, notamment les réseaux d'antennes et les réseaux d'alimentation correspondants, sont conçus et fabriqués pour démontrer expérimentalement les propriétés et les applications à focalisation multiple de ce travail de recherche, validant ainsi la modélisation et l'analyse théoriques. Les réseaux d'antennes multi-focales sont conçus et des travaux expérimentaux sont effectués dans les bandes de fréquences radio et ondes millimétriques avec de bonnes performances.  ABSTRACT: In modern communications systems, the features of energy efficiency and spectrum efficiency are highlighted, attracting more and more attention in the design of systems and devices thanks to the requirement of ever-increasing data rate, density and quantity of user terminals. Multi-beam technique is an essential enabling design feature of antenna array for wireless systems, which can be used in support of multiple users and multiple spots with high efficiency. In this research work, a series of methods for developing an antenna array that features multiple electromagnetic beaming focuses in its near-field region are proposed and presented. The research work on near-field multi-focus covers the development of algorithms, design of related components, discussion about the focusing properties and their improvement methods, and the expansion of operating functions and application scenarios.  In this work, a number of modeling algorithms of antenna array considering near-field model, phase compensation, and optimization strategy are developed in order not only to identify the spatial locations of multiple focal points in the near-field region but also to formulate the beam pattern at or around those focal points. In essentials, the proposed algorithms aim at realizing a pattern shaping in the near-field region with particular emphasis on design aspects such as adjustment of the spatial location of focal points, specification of amplitude and phase distributions, and allocation of polarizations. The practical realization is also an important part of this work with interest in developing multi-focus arrays in the near-field region. Therefore, components including antenna arrays and related feeding networks are designed and fabricated for experimentally demonstrating the multi-focusing properties and applications in this research work, which also validate the theoretical modeling and analysis. The multi-focusing antenna arrays are designed, and experimental work is carried out in both radio-frequency and millimeter-wave bands with good performance.  Different from a far-field region of antennas, the electromagnetic field in a near-field region involves reactive and radiative energy components simultaneously.


identifier: Gmira, M. (2019). Confection de tournées de livraison dans un réseau urbain à l'aide de métaheuristiques et de méthodes de forage de données massives  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La confection de tournées de livraison dans un réseau urbain est un problème qui peut faire appel à la recherche opérationnelle, au forage de données, à l'intelligence artificielle et à la géomatique, entre autres disciplines. Il s'agit de trouver une affectation des clients aux véhicules de livraison et un ordre de visite des clients pour chacun des véhicules afin d'optimiser une certaine fonction objectif. La considération d'une version dynamique du problème, où le processus d'optimisation doit aussi tenir compte de nouvelles données qui affluent en temps réel, rend la résolution encore plus complexe. De tels problèmes se retrouvent, par exemple, dans les entreprises qui offrent des services de livraison à domicile. Dans un contexte d'intégration, de globalisation et de compétitivité, ces entreprises se doivent de prendre les décisions menant aux meilleures tournées de livraison possibles. La recherche d'une solution optimale est souvent impossible pour des instances de taille réaliste. Afin d'obtenir de bonnes solutions dans des temps de calcul raisonnables, des approches heuristiques et métaheuristiques ont été proposées dans la littérature. Cependant, la majorité des travaux se basent sur des instances synthétiques qui, entre autres, négligent la topologie des réseaux routiers rencontrés dans la pratique. Cette thèse vise, dans un premier temps, à contribuer à l'intégration des méthodes de forage de données et d'apprentissage automatique dans la prédiction des vitesses de parcours dans un réseau routier réel. Grâce à la collaboration d'un partenaire industriel, nous disposons d'une base de données de points GPS recueillis dans la région métropolitaine de Montréal à partir de dispositifs embarqués dans des véhicules de livraison, couvrant une période de plus de deux ans. Nous proposons une méthode de prédiction des vitesses sur les arcs de ce réseau en faisant appel au forage de données massives et à l'apprentissage automatique : techniques de réduction de dimensionnalité, méthodes d'imputation et d'apprentissages supervisé et non supervisé. L'ensemble de cette méthodologie a fait l'objet d'un article, actuellement en révision, soumis à la revue scientifique EURO Journal on Transportation and Logistics. Cette thèse vise aussi à contribuer à l'avancement des métaheuristiques pour la résolution de problèmes de tournées de livraisons à domicile définies sur un réseau routier, avec des vitesses et temps de parcours qui dépendent du moment de la journée, des fenêtres de temps pour le service aux clients et une capacité maximale pour les véhicules. Plus précisément, nous proposons une recherche tabou qui remet en question l'ordre de visite des clients ainsi que le chemin utilisé dans le réseau routier pour se rendre d'un client à un autre, en fonction du moment de la journée. Un développement majeur de ce travail est la conception de techniques d'évaluation en temps constant de la réalisabilité ainsi que du coût approximatif des solutions dans le voisinage de la solution courante. Ces techniques permettent de réduire l'effort computationnel et de résoudre des instances avec 200 noeuds et 580 arcs dans des temps de calcul très raisonnables. L'approche de résolution incluant la description des techniques d'évaluation en temps constant de la réalisibilité des solutions dans le voisinage et de leurs coûts approximatifs a fait l'objet d'un article soumis à la revue scientifique Transportation Science. Enfin, la thèse s'attaque à une variante dynamique du problème précédent, dans un contexte où les vitesses sur les arcs du réseau routier varient de façon dynamique due à des incidents imprévus. Un simulateur a été développé pour générer les perturbations dynamiques aux vitesses sur les arcs, tout en respectant les relations spatio-temporelles entre ces derniers. Une procédure permet ensuite de réagir aux perturbations en modifiant la solution courante de façon plus ou moins importante selon l'importance des perturbations. La démarche développée pour résoudre ce problème dynamique de confection de tournées qui inclut l'ajustement à des plans de livraison déjà optimisés dans un contexte statique est présentée dans un article ayant été soumis à la revue scientifique European Journal of Operational Research.  ABSTRACT: Fleet management for home deliveries in an urban context is at the crossroads between several disciplines such as operations research, data mining, artificial intelligence, geomatic, etc. The objective is to find 1) assignment of customers to vehicles and 2) sequence of customers visited by each vehicle to optimize a certain objective function. Since accurate travel time predictions are of foremost importance in urban environments, it is important to address dynamic variants of vehicle routing problems, because they better model the problems faced by transportation companies like home delivery services. In an era where companies have to integrate their supply chain, face globalization and competitiveness, it is important for them to make decisions leading to the best possible delivery routes. Therefore, in this thesis, we first consider the prediction of travel speeds using as input GPS traces of commercial vehicles collected over a significant period of time. We propose a forecasting framework based on machine learning and data mining techniques: dimensionality reduction techniques, imputation methods, unsupervised and supervised learning. Secondly, we propose a solution approach to solve a time-dependent vehicle routing problem with time windows in which travel speeds are defined on the road network itself. The solution approach involves a tabu search heuristic that considers different shortest paths between pairs of customers at different times of the day. A major contribution of this work is the development of techniques to evaluate the feasibility as well as the approximate cost of a solution in constant time, thus allowing the overall solution approach to handle instances with up to 200 nodes and 580 arcs in very reasonable computing times. Finally, we consider a dynamic vehicle routing problem motivated from home delivery applications that can adapt to changes in speeds by modifying the paths used in the road network to go from one customer to the next and by modifying the sequences of customers in the planned routes. Here, uncertainty comes from a single source, namely, the occurrence of new traffic information that affects speeds. To mimic real-time perturbations in the road network, we developed a simulator that generates traffic events and updates the speeds accordingly.


identifier: Abdelsalam, A. (2019). Efficient FPGA-Based Inference Architectures for Deep Learning Networks  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'apprentissage profond est devenu la technique de pointe pour de nombreuses applications de classification et de régression. Les modèles d'apprentissage profond, tels que les réseaux de neurones profonds (Deep Neural Network - DNN) et les réseaux de neurones convolutionnels (Convolutional Neural Network - CNN), déploient des dizaines de couches cachées avec des centaines de neurones pour obtenir une représentation significative des données d'entrée. La puissance des DNN et des CNN provient du fait qu'ils sont formés par apprentissage de caractéristiques extraites plutôt que par des algorithmes spécifiques à une tâche. Cependant, cela se fait aux dépens d'un coût de calcul élevé pour les processus d'apprentissage et d'inférence. Cela nécessite des accélérateurs avec de hautes performances et économes en énergie, en particulier pour les inférences lorsque le traitement en temps réel est important. Les FPGA offrent une plateforme attrayante pour accélérer l'inférence des DNN et des CNN en raison de leurs performances, dû à leur configurabilité et de leur efficacité énergétique. Dans cette thèse, nous abordons trois problèmes principaux. Premièrement, nous examinons le problème de la mise en oeuvre précise et efficace des DNN traditionnels entièrement connectés sur les FPGA. Bien que les réseaux de neurones binaires (Binary Neural Network - BNN) utilisent une représentation de données compacte sur un bit par rapport aux données à virgule fixe et à virgule flottante pour les DNN et les CNN traditionnels, ils peuvent encore nécessiter trop de ressources de calcul et de mémoire. Par conséquent, nous étudions le problème de l'implémentation des BNN sur FPGA en tant que deuxième problème. Enfin, nous nous concentrons sur l'introduction des FPGA en tant qu'accélérateurs matériels pour un plus grand nombre de développeurs de logiciels, en particulier ceux qui ne maîtrisent pas les connaissances en programmation sur FPGA. Pour résoudre le premier problème, et dans la mesure où l'implémentation efficace de fonctions d'activation non linéaires est essentielle à la mise en oeuvre de modèles d'apprentissage profond sur les FPGA, nous introduisons une implémentation de fonction d'activation non linéaire basée sur le filtre à interpolation de la transformée cosinus discrète (Discrete Cosine Transform Interpolation Filter - DCTIF). L'architecture d'interpolation proposée combine des opérations arithmétiques sur des échantillons stockés de la fonction de tangente hyperbolique et sur les données d'entrée. Cette solution offre une précision 3× supérieure à celle des travaux précédents, tout en utilisant une quantité similaire des ressources de calculs et une petite quantité de mémoire. Différentes combinaisons de paramètres du filtre DCTIF peuvent être choisies pour compenser la précision et la complexité globale du circuit de la fonction tangente hyperbolique.  ABSTRACT: Deep learning has evolved to become the state-of-the-art technique for numerous classification and regression applications. Deep learning models, such as Deep Neural Networks (DNNs) and Convolutional Neural Networks (CNNs), deploy dozens of hidden layers with hundreds of neurons to learn a meaningful representation of the input data. The power of DNNs and CNNs comes from the fact that they are trained through feature learning rather than task-specific algorithms. However, this comes at the expense of high computational cost for both training and inference processes. This necessitates high-performance and energyefficient accelerators, especially for inference where real-time processing matters. FPGAs offer an appealing platform for accelerating the inference of DNNs and CNNs due to their performance, configurability and energy-efficiency. In this thesis, we address three main problems. Firstly, we consider the problem of realizing a precise but efficient implementation of traditional fully connected DNNs in FPGAs. Although Binary Neural Networks (BNNs) use compact data representation (1-bit) compared to fixedpoint data and floating-point representation in traditional DNNs and CNNs, they may still need too many computational and memory resources. Therefore, we study the problem of implementing BNNs in FPGAs as the second problem. Finally, we focus on introducing FPGAs as accelerators to a wider range of software developers, especially those who do not posses FPGA programming knowledge. To address the first problem, and since efficient implementation of non-linear activation functions is essential to the implementation of deep learning models on FPGAs, we introduce a non-linear activation function implementation based on the Discrete Cosine Transform Interpolation Filter (DCTIF). The proposed interpolation architecture combines arithmetic operations on the stored samples of the hyperbolic tangent function and on input data. It achieves almost 3× better precision than previous works while using a similar amount of computational resources and a small amount of memory. Various combinations of DCTIF parameters can be chosen to trade off the accuracy and the overall circuit complexity of the tanh function. In an attempt to address the first and third problems, we introduce a Single hidden layer Neural Network (SNN) multiplication-free overlay architecture with fully connected DNN-level performance. This FPGA inference overlay can be used for applications that are normally solved with fully connected DNNs. The overlay avoids the time needed to synthesize, place, route and regenerate a new bitstream when the application changes. The SNN overlay in puts and activations are quantized to power-of-two values, which allows utilizing shift units instead of multipliers. Since the overlay is a SNN, we fill the FPGA chip with the maximum possible number of neurons that can work in parallel in the hidden layer. We evaluate the proposed architecture on typical benchmark datasets and demonstrate higher throughput with respect to the state-of-the-art while achieving the same accuracy. In addition, the SNN overlay makes the power and versatility of FPGAs available to a wider DNN user community and to improve DNN design efficiency.


identifier: Karimi, B. (2019). Understanding the Control of Hazardous Energies on Machinery: Using Lockout and Alternative Methods in Organizations and Developing a Self-Audit Tool  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au Canada, comme dans de nombreux pays, les normes nationales et les réglementations provinciales exigent que les travailleurs oeuvrant dans la zone dangereuse d'une machine pendant une phase de non-production suivent une procédure spécifique pour contrôler des énergies dangereuses. Si les énergies dangereuses de la machine ne sont pas contrôlées, il y a un risque de dégagement d'énergie, de mise sous tension ou de démarrage inattendu entraînant par conséquent des blessures ou décès. La norme canadienne CSA Z460 et la réglementation québécoise RSST décrivent les exigences en matière de contrôle des énergies dangereuses, appelées cadenassage (consignation ou lockout), ainsi que des méthodes alternatives lorsque le cadenassage ne peut pas être utilisé. Le nombre élevé d'accidents liés aux lacunes au niveau du contrôle des énergies dangereuses sur les machines démontre que les entreprises ont des difficultés avec l'application de ces exigences. En outre, l'absence d'audits du cadenassage ou d'outils pour l'audit de cadenassage est une réalité très répandue, de sorte que l'application du cadenassage n'est souvent pas entièrement conforme aux normes et aux réglementations. Au Québec, où cette étude a eu lieu, quatre décès et 1000 accidents se produisent en moyenne chaque année, en raison de l'absence ou des manquements aux procédures de cadenassage. Il existe peu d'études sur l'application réelle du cadenassage et elles se limitent en général à un secteur d'activité spécifique. Les outils disponibles pour auditer le cadenassage sont, pour leur part, incomplets. Par conséquent, les objectifs de cette thèse sont les suivants: premièrement, comprendre comment les entreprises mettent en oeuvre des programmes et procédures de cadenassage, et dans quelle mesure ces programmes et procédures sont conformes à la norme CSA Z460 et à la réglementation en vigueur; et deuxièmement, concevoir un outil d'autodiagnostic pour auditer l'application des procédures de cadenassage sur la base des connaissances générées dans la première partie de l'étude. Pour atteindre le premier objectif, une étude terrain a été réalisée et un questionnaire complet (concernant le programme de cadenassage, l'application des procédures de cadenassage, les méthodes alternatives, la gestion des sous-traitants, la formation et l'audit / inspection) a été développé à cet effet. L'application du cadenassage et des méthodes alternatives a été étudiée dans 14 entreprises issues de divers secteurs d'activité du Québec par le biais d'une entrevue de groupe, d'une analyse documentaire et d'une observation du site dans chaque entreprise. Cette étape de l'étude a révélé que les pratiques de cadenassage en vigueur dans les entreprises visitées étaient meilleures que celles décrites dans leur programme de cadenassage. Cependant, un écart important a été constaté entre l'application du cadenassage et des méthodes alternatives et les exigences de la norme CSA et de la réglementation RSST. Les insuffisances constatées incluent: (i) des programmes de cadenassage incomplets; (ii) les étapes manquantes dans les procédures générales de cadenassage; (iii) les travailleurs ne lisent pas les fiches de cadenassage; (iv) le manque de connaissances sur les méthodes alternatives et la réglementation; (v) utiliser des méthodes alternatives sans évaluation des risques; (vi) formation insuffisante pour les méthodes alternatives; (vii) absence de supervision et de coordination des sous-traitants; (viii) et le manque d'outils d'audit et de documentation des résultats d'audit. L'étude a également proposé des recommandations (ex. mesures correctives) pour remédier aux lacunes identifiées. De plus, l'étude a révélé la nécessité de clarifier la norme canadienne et la réglementation québécoise sur l'utilisation de méthodes alternatives au cadenassage dans les organisations. Afin d'atteindre le deuxième objectif, un outil d'autodiagnostic pour auditer l'application des procédures de cadenassage sur des machines a été conçu sur la base des conclusions de l'étape précédente et des normes et réglementations en vigueur. Cet outil a été développé pour vérifier la préparation de cadenassage (ex. les conditions nécessaires) et aussi pour évaluer l'application des procédures de cadenassage. L'outil a ensuite été testé pour la validité du contenu via un panel d'experts et six entreprises du Québec. L'étude a démontré que le nouvel outil avait un indice de validité du contenu élevé, à la fois en termes d'indice de validité de contenu pour les éléments (ICVI) et d'indice de validité de contenu pour l'outil (S-CVI). En outre, l'outil était facile à utiliser et son exhaustivité était suffisante pour contrôler l'application du cadenassage sur les machines par rapport aux exigences normatives et réglementaires. En effet, en utilisant cet outil, les organisations peuvent trouver et corriger les divergences dans l'application du cadenassage, améliorer les pratiques de cadenassage et garantir la sécurité des travailleurs. Cette thèse présente pour la première fois une étude sur l'application du cadenassage sur les machines dans les entreprises de différents secteurs. De plus, la thèse propose pour la première fois un outil d'autodiagnostic pour auditer l'application du cadenassage.  ABSTRACT: In Canada, like many countries, the national standard and provincial regulations require that workers working in the hazardous area of a machine during the non-production phase of machinery follow a specific safety procedure to control hazardous energies. Failure to control hazardous energies poses a risk of the release of energies, unexpected energization or start-up of machines (or equipment), hence resulting in injury or death. The Canadian Standard CSA Z460 and Quebec regulation ROHS describe the requirements for, and provide guidance on, the control of hazardous energies that is referred to as lockout, and also as alternative methods when lockout is not applicable. However, the high number of accidents linked to failure to control hazardous energies on machinery shows that organizations have difficulty with the application of lockout arrangements or the use of alternative methods. Moreover, the absence of audits of lockout or the lack of tools for auditing lockout is prevalent, and thus the application of lockout is often not fully in compliance with standards and regulations. In Quebec, where this study took place, four deaths and 1000 accidents on average occur annually due to either poor or the absence of, lockout procedures. Few studies exist on the actual application of lockout, but those are limited to a specific sector. Additionally, audit tools for the application of lockout are incomplete. Therefore, the objectives of this thesis are: first, to understand how organizations implement hazardous energy control programs and procedures, and the extent to which they are in accordance with relevant standards and regulations; and second, to design a self-audit tool for the application of lockout procedures on machinery based on the findings from the previous step. To attain the first objective, the qualitative study was conducted, and a comprehensive questionnaire (which is about the lockout program, application of lockout procedures, alternative methods, sub-contractor management, training, and audit/inspection) was developed. The application of lockout and alternative methods was studied in 14 organizations from different sector specialties in Quebec, through a group interview, document review and site observation in each organization. This step of the study demonstrated that the actual lockout practices in the organizations visited were better than what was described in their lockout programs. However, major gaps were found between the actual application of lockout/alternative methods within the organizations studied and the standard CSA Z460 and Quebec regulation ROHS requirements. The shortcomings found included: (i) incomplete lockout programs; (ii) missing steps in general lockout procedures; (iii) neglecting to read the placards; (iv) lack of knowledge about alternative methods; (v) using alternative methods without risk assessment; (vi) poor training for alternative methods and lockout program; (vii) absence of supervision and coordination of subcontractors; (viii) and lack of audit tools and documentation of audit results. The study also proposed recommendations (e.g. corrective actions) for addressing identified shortcomings and gaps. Moreover, the study revealed a need for clarifications on the Canadian standard and Quebec regulation for using alternative methods to lockout in organizations. In order to attain the second objective, a self-audit tool for the application of lockout procedures on machinery was designed based on the findings of the previous step, and the current standards and regulations. The self-audit tool was developed to verify the preparation of lockout (i.e. surrounding conditions and pre-requirements) and also to evaluate the application of lockout procedures. The tool was then tested for content validity through a panel of experts and qualitative feedback from six organizations in Quebec. The study showed that this novel tool had high content validity index scores in terms of both the content validity index for items (I-CVI) and the content validity index for the tool (S-CVI). Furthermore, the tool was easy to use and completeness of the tool were adequate to monitor and evaluate the application of lockout on machinery against the normative and regulatory requirements. Indeed, by using this tool, organizations can find and correct problems and shortcomings in the application of lockout, improve lockout practices, and ensure safety of workers. This thesis presents the first study on the application of lockout and alternative methods on machinery in organizations across different industries. Moreover, the thesis is a pioneer in proposing a self-audit tool for the application of lockout.


identifier: Sekkay, F. (2019). Portrait de la santé musculosquelettique et analyse ergonomique du travail pour les conducteurs de poids lourds transportant des matières dangereuses  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le transport des matières dangereuses occupe une place importante dans l'économie canadienne, le transport par camion représentant le mode de transport le plus fréquemment utilisé (Gouvernement du Canada, 2012). Par matières dangereuses, on entend « un produit, une substance ou un organisme qui, en raison de sa quantité, de sa concentration ou de ses caractéristiques physiques ou chimiques, pourrait poser un danger réel pour la santé de la population ou l'environnement. » (Gouvernement du Canada, 2012). Chaque opération de chargement ou de déchargement, de transport et de manipulation de ces substances qui peuvent être toxiques, explosives, corrosives, inflammables, présente un risque d'accidents de travail et de maladies professionnelles. D'une façon générale, l'ensemble du secteur du transport routier des marchandises connaît un essor important au Canada. Plus de 270 000 travailleurs (1.45 % de la population active) sont employés comme chauffeurs de camions de fret général ou spécialisé au Canada (Statistique Canada, 2018). En 2016, la conduite de camions était la profession la plus répandue chez les hommes canadiens (Statistique Canada, 2017). Néanmoins, l'industrie du transport par camion est confrontée à des défis importants en termes de santé et de sécurité au travail (SST). Le présent travail de recherche a pour objectif de tracer le portrait de la santé musculosquelettique ainsi que d'élaborer une analyse ergonomique du travail des conducteurs de poids lourds transportant des matières dangereuses sur de courtes distances (cueillette et livraison) et sur de longues distances (vrac). Considérant l'importance de la participation des travailleurs dans une démarche d'intervention et compte tenu de la nécessité de comprendre finement le travail, cette étude s'est déroulée en deux étapes. La première a principalement concerné la distribution d'un questionnaire à 249 chauffeurs à travers le Canada. Parmi eux, 130 chauffeurs, ce qui représente un taux de réponse de 52 %, répartis dans 32 localités et dans 6 provinces du Canada, ont accepté de participer à l'étude et ont rempli le questionnaire. La majorité (75 %) des chauffeurs ont été rencontrés et ont rempli le questionnaire en milieu de travail en présence d'un membre de l'équipe afin, le cas échéant, de répondre à leurs questions. Le questionnaire élaboré permet de mesurer la prévalence des douleurs musculosquelettiques (MS) chez les chauffeurs et de documenter les associations entre ces problèmes et les perceptions de l'environnement physique (ex. : postures, application de forces, manutention…), psychosocial (ex. : niveau de latitude décisionnelle dans le travail, soutien social des supérieurs et des collègues), et organisationnel (ex. : C&L vs Vrac). La deuxième phase de ce travail de recherche a principalement concerné un groupe de 39 camionneurs qui ont accepté de participer à des observations systématiques durant leur travail. Parmi ces chauffeurs, on comptait 18 camionneurs Vrac (14 du Québec et 4 de l'Ontario) et 21 C&L dont 6 de l'Ontario. Différentes informations ont été recueillies durant les observations réalisées : fréquence cardiaque lors d'un test à l'effort sous-maximal et en continu durant la journée de travail, enregistrements vidéo du travail, description des activités réalisées, mesures de force appliquée sur différents objets (ex., poignées de valves, fermeture de portes, mécanisme de tension des sangles, etc.), et les différentes caractéristiques des chauffeurs (ex., âge, poids, taille, fréquence cardiaque de repos). Globalement, la prévalence de douleurs MS dans au moins une seule partie du corps, chez l'ensemble des camionneurs au cours des 12 mois précédant l'étude est de 43.1 %, cette prévalence a été plus élevée que ce qui a été rapporté pour la population de travailleurs masculins du Québec, et plus élevée chez les camionneurs Vrac que chez les camionneurs C&L. Les douleurs d'origine MS chez les camionneurs Vrac ont été principalement associées aux facteurs de risque psychosociaux et au mode de vie alors que, chez les camionneurs C&L, les douleurs ont été principalement associées à des facteurs de risque physiques. Les résultats des observations systématiques du travail ont montré que le travail des camionneurs alterne entre des tâches variables (conduite de véhicule, chargement ou déchargement des camions, inspections du camion, etc.). Pour les camionneurs Vrac, la journée de travail est trop longue compte tenu de leurs charges physiologiques quotidiennes liées au travail, les exposant ainsi à un risque de fatigue excessive. La charge de travail avait tendance à être plus élevée en hiver (par rapport à l'été). À travers les observations et les réponses des camionneurs, nous avons constaté que les camionneurs Vrac étaient exposés à une combinaison de facteurs de risque pour les douleurs MS au niveau du dos, des membres supérieurs et du cou (longues heures de travail, longue conduite quotidienne, vibrations transmises à l'ensemble du corps, activités exigeantes physiquement, postures contraignantes et statiques après la conduite, effort élevé sur les poignées de vannes). En ce qui concerne les camionneurs C&L, ils passent presque 50 % de la période totale de travail au volant, et 28 % de cette période en dehors de la cabine pour effectuer les tâches de chargement/déchargement de bouteilles. Leur charge de travail dans son ensemble n'a pas été jugée physiquement exigeante d'un point de vue physiologique, cependant des pointes de fréquence cardiaque indiquant des situations de travail exigeantes lors de la manipulation de bouteilles de gaz ont été décelées. De plus, des postures contraignantes étaient souvent adoptées lors des activités de manutention manuelle (lever, baisser, porter, rouler et tirer) et dans la plupart des situations, selon des méthodes d'évaluation, se révélaient non sécuritaires. En conclusion, les résultats de cette thèse permettent d'élaborer une image complète de la réalité du travail des camionneurs, en termes d'exposition physique, et permettent aussi de faire ressortir une cohérence entre la perception des camionneurs mesurée lors d'un sondage par questionnaire et les résultats des observations du travail.  ABSTRACT: Development of modern society as well as industry induce to an increased need for hazardous materials. Hazardous material is defined as “a product, substance or organism that, by reason of its quantity, concentration or physical or chemical characteristics, could pose a real danger to the health of the population or the environment” (Government of Canada, 2012). Each operation of loading / unloading, transporting, and handling these substances which may be toxic, explosive, corrosive, flammable, presents a potential risk of work accidents and occupational diseases. In Canada, about 70% of the tonnage of dangerous goods is transported by truck (Government of Canada, 2012). The transport trucking industry is an important industrial sector that contributes greatly to the Canadian economy. Over 270 000 workers (1.45% of the labor force) are employed as general or specialized freight truck drivers in Canada (Statistics Canada, 2018). In 2016, transport truck driving was the most common occupation for men in Canada (Statistics Canada, 2017). Nevertheless, the truck driving industry faces important challenges in terms of occupational health and safety (OHS). The present research work consists of an exploratory study aimed mainly to document the prevalence of self-reported musculoskeletal (MS) pain in different body areas and to assess the work-related physical demands among two groups of Canadian truck drivers (short- and long-haul) all employed by a same multinational company specializing in industrial gas delivery. Considering the importance of worker participation in the intervention process and given the need to understand the work in detail, this study was conducted in two phases. The first phase involves the distribution of a questionnaire to 249 drivers across Canada in the summer of 2016. Among them, 130 drivers, representing a response rate of 52%, across 32 communities and 6 provinces across Canada, agreed to participate in the study and completed the questionnaire. The majority (75%) of the drivers were met and completed the questionnaire in the presence of the team members to answer any questions they might have. The questionnaire aimed to quantify the prevalence of musculoskeletal pain (MS) in drivers and to investigate associations with self-reported exposures to risk factors for MS outcomes (e.g. postures, application of forces, manual handling ...), psychosocial (e.g. level of decisional latitude in the work, social support of superiors and colleagues), and organizational (e.g. division). The second phase of this research work took place between June 2016 and March 2017, and mainly involved a group of 39 drivers who agreed to participate in systematic observations during their work. Among these drivers, there were 18 Bulk drivers (14 from Quebec and 4 from Ontario) and 21 P&D drivers including 6 from Ontario. Various types of information were gathered during ride-along: Heart rate measurements during a submaximal step-test and during the work shift, video sequences, direct observation of the work activities, force measurements (e.g. hand-wheel valves, straps, cylinders handling, etc.), ambient conditions measurements, individual characteristics (e.g. age, weight, stature, resting heart rate), etc. Overall, the prevalence of MS pain in at least one part of the course, among all drivers investigated for the past 12-month was 43.1%. Prevalence of MS pain was higher among industrial gas delivery truck drivers than in the general Quebec male worker population, and higher for Bulk drivers compared to P&D drivers. MS pain in Bulk drivers was mainly associated with psychosocial risk factors and lifestyle; MS pain in P&D drivers was mainly associated with physical risk factors. The results of systematic work observations have shown that driver work alternates between variable tasks (driving, loading / unloading trucks, truck inspections, etc.). For bulk drivers, the overall workload was found excessive given the shift duration, exposing them to the risk of excessive fatigue. The workload tended to be higher in winter (compared to summer). Through observations and driver responses, we found that Bulk drivers were exposed to a combination of risk factors for MS back, upper limb and neck pain (long working hours, long daily driving, whole-body vibrations, strenuous activities, awkward and static postures following driving, high force exertion on valve handles, handling hoses). For P&D drivers, they spend almost 50% of the total working time behind the wheel, and 28% of that time outside the cab for loading / unloading tasks. The overall work was not excessive given the mean shift duration. However, peak heart rates indicating strenuous work situations when handling gas cylinders were found. Furthermore, awkward postures were often adopted during manual handling activities (lifting, lowering, carrying, rolling atilt, and pulling), which in most situations were found to be unsafe according to current guidelines on Manual Material Handling (MMH). In conclusion, the results of this thesis allow to elaborate a complete image of the drivers' work reality, in terms of physical exposure, also to highlight at the coherence between the perception of the drivers and the results of the observations of work.


identifier: Ouchebri, I. (2019). Prévision de recul de berge en modélisation hydrodynamique bidimensionnelle à fond mobile : Développement d'un outil automatisé pour tout modèle de rivière basée sur SRH-2D  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'érosion des berges est une forme importante d'ajustement de chenaux et de formation de méandres dans les environnements alluviaux. Il s'agit d'un processus clé de la dynamique fluviale qui influence considérablement la charge sédimentaire des cours d'eau et contrôle leur évolution latérale. Récemment, les modèles numériques des écoulements uni- et bidimensionnels prédisent les réponses morphologiques des chenaux plus fidèlement. La plupart, cependant, ignorent les mécanismes de glissements des berges ou ne mettent en œuvre que des méthodes ad hoc simples. Dans l'optique de caractériser la dynamique réelle des cours d'eau, cette thèse propose une nouvelle plateforme sous forme d'un module d'automatisation couplé capable d'intégrer l'hydraulique des écoulements à la stabilité géotechnique des rives.  ABSTRACT: ABSTRAT: Streambank erosion is an important form of channel adjustment in alluvial environments. It is a key process in fluvial dynamics that significantly influences the sediment load of rivers and controls their lateral evolution. Recently, 1D and 2D numerical flow models predict channel morphological responses more accurately. Most, however, are incapable to account for bank failure mechanisms or only implement ad hoc methods. In order to characterize the real dynamics of watercourses, this thesis proposes a new platform coupling flow hydraulics and bank geotechnical stability analysis in one dynamic and continuous simulation. The developed methodology, called upon advanced knowledge in hydraulics and geotechnics and their coupling in both the process-based understanding and calculation methods.


identifier: Rouaut, G. (2019). Modélisation des propriétés dynamiques et de transport des solutions métal-sel fondu. Application à la conductivité électronique des bains cryolithiques pour le procédé Hall-Héroult  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'aluminium est un élément métallique très prisé pour ses nombreuses propriétés physicochimique, mécanique, thermique et électrique. Cela en fait un métal de choix dans de nombreux domaines, et la demande mondiale ne cesse donc d'augmenter, principalement dans les pays émergents. L'aluminium ne se trouve pas à l'état naturel, il est fabriqué à partir du procédé Hall-Héroult, un procédé électrolytique durant lequel de l'alumine solide est dissoute dans un bain cryolithique (Na3AlF6). Mais le rendement de ce procédé n'est pas de 100 %, une partie de la perte d'efficacité de courant est dû à la dissolution du métal dans le bain à l'interface bain-métal, qui va réagir avec le CO2 dissout lui aussi dans le bain. La mesure de la conductivité électrique devient donc un outil intéréssant, et plus spécifiquement de sa composante électronique, afin de connaître la quantité de métal présente dans le bain cryolithique. Malheureusement, il n'existe pas de modèles permettant de prédire la conductivité électronique des bains cryolithiques.  ABSTRACT: Aluminium is a highly prized metallic element for its many physico-chemical, mechanical, thermal and electrical properties. This makes it a metal of choice in many areas, and global demand continues to increase, mainly in emerging countries. Aluminium is not in its natural state, it is manufactured from the Hall-Héroult process, an electrolytic process in which solid alumina is dissolved in a cryolitic bath (Na3AlF6). But the efficiency of this process is not 100%, part of the loss of current efficiency is due to the dissolution of the metal in the bath at the bath-metal interface, which will react with the CO2 also dissolved in the bath. The measurement of electrical conductivity therefore becomes an interesting tool, and more specifically of its electronic component, in order to know the quantity of metal present in the cryolithic bath. Unfortunately, there are no models available to predict the electronic conductivity of cryolite baths.


identifier: Hajjout, N. (2019). Prise en compte des incertitudes dues au coefficient de rugosité de Manning : application aux modèles hydrodynamiques 1D et 2D  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'élaboration des cartes de zones inondables est une étape incontournable lors de la réalisation des plans d'urgence prévus par la loi 93 sur la sécurité des Barrages. Cependant, la précision de ces cartes et leurs qualités dépendent étroitement des outils utilisés lors du processus de modélisation hydrodynamique. Désormais, la modélisation bidimensionnelle s'est imposée comme approche fiable qui apporte des précisions locales sur l'écoulement. Toutefois, la précision des résultats donnée par les modèles 2D peut être altérée lorsque le coefficient de Manning utilisé est le même que celui employé pour les modèles 1D. En effet, le coefficient de Manning n'est pas le même pour un écoulement selon qu'il s'agit d'un modèle 1D ou d'un modèle 2D, en vue de la différence des phénomènes considérés dans les deux types de modèles. En outre, l'estimation de ce paramètre de rugosité, essentiel en analyse hydraulique, est entachée d'incertitudes qu'il faudrait prendre en compte lors du processus de modélisation.» et  ABSTRACT: Floodplain map delineation is an essential step in the implementation of the emergency plans provided by the Dam Safety Act (Bill n °93). However, floodplain maps accuracy and quality rely on used models.Two-dimensional modelling has emerged as a reliable approach, which provides local details on the flow. However, 2D model's precision can be altered if the used Manning's n coefficient is the same as for a 1D model. Indeed, Manning's coefficient characterizes different effects, regarding the differences between 1D and 2D modelling. As, estimating « n » roughness parameter is prone to errors, users should be mindful of the impact of these uncertainties on model results.


identifier: Lepage, S. (2019). Modélisation des interactions entre les modes de transport aux abords des stations de métro  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les modèles de prévision de la demande en transport s'appuient typiquement sur la représentation d'un jour moyen de semaine, en utilisant des données d'enquête regroupant plusieurs jours d'observation. Les données d'enquête ne permettent pas d'expliquer la variabilité d'usage à court terme attribuable à certains évènements occasionnels. De plus, les données d'enquête sont souvent limitées par leur couverture temporelle discontinue et par le nombre restreint de modes considérés.Cette étude propose plutôt d'utiliser des flux continus de données afin de modéliser la demande de transport. Les données utilisées permettent non seulement d'analyser les variations du niveau d'usage dans le temps, mais aussi dans l'espace. Contrairement à la majorité des recherches qui ne s'intéressent qu'à un seul mode de transport, la présente étude propose l'analyse simultanée de plusieurs modes afin d'en comparer l'usage.  ABSTRACT: Demand modeling is typically based on an average working day, since it often uses data from travel surveys that aggregate multiple days of observation. Also, travel surveys are often performed for a limited time frame rather than a continuous period and neglect low usage transportation modes. Survey data do not allow to capture the effect of occasional events on ridership. Instead, this study proposes using continuous data flows to model travel demand. The data allows not only to analyze demand variations in time, but also in space. Unlike most research that focus on one mode of transportation only, this study proposes a simultaneous analysis of several modes to compare their demand.