Global optimization method for design problems

In structural design optimization method, numerical techniques are increasingly used. In typical structural optimization problems there may be many locally minimum configurations. For that reason, the application of a global method, which may escape from the locally minimum points, remains essential. In this paper, a new hybrid simulated annealing algorithm for global optimization with constraints is proposed. We have developed a new algorithm called Adaptive Simulated Annealing Penalty Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation algorithm (ASAPSPSA) that uses Adaptive Simulated Annealing algorithm (ASA); ASA is a series of modifications done to the traditional simulated annealing algorithm that gives the global solution of an objective function. In addition, the stochastic method Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation (SPSA) for solving unconstrained optimization problems is used to refine the solution. We also propose Penalty SPSA (PSPSA) for solving constrained optimization problems. The constraints are handled using exterior point penalty functions. The hybridization of both techniques ASA and PSPSA provides a powerful hybrid heuristic optimization method; the proposed method is applicable to any problem where the topology of the structure is not fixed; it is simple and capable of handling problems subject to any number of nonlinear constraints. Extensive tests on the ASAPSPSA as a global optimization method are presented; its performance as a viable optimization method is demonstrated by applying it first to a series of benchmark functions with 2 - 50 dimensions and then it is used in structural design to demonstrate its applicability and efficiency

An Existence Theorem for Quasi-Variational Inequalities

A class of set-valued quasi-variational inequalities is studied in Banach spaces. The concept of QVI was earlier introduced by A. Bensoussan and J. L. Lions [4]. In this paper we give a generalization of the existence theorem du to Kano et al [11] by proving the existence of a fixed point of the variational selection

Modeling and Optimization of Materials and Structures

Preface : The current economic and ecological context requires different industries towards the optimization of structures. One of the most striking examples is the soaring price of oil, which launched the major aircraft manufacturers Airbus and Boeing in a race to relief structures, to reduce their consumption. Therefore, the need of competitive products, both in terms of reliability, performance or operating cost, is pervasive and growing, aviation and elsewhere. Thus, work on the material parts by offering innovative solutions to reduce their weight and improve their performance (new materials, new processes, etc.) is essential and becomes more than ever a major industrial challenge. One way of increasing the selected aircraft is use of composite materials. Indeed, their high ratio mechanical / density properties and excellent resistance to environmental significantly improve the structural performance of the aircraft while generating a significant weight gain (20 to 30% weight of a structure). They were originally implemented in the design of secondary structures of aircraft, but improving their manufacturing processes and a better understanding of their mechanical properties and their degradation mechanisms are they now used for the manufacture of primary structures, such as the fuselage or the central box of an aircraft wing. If applications were rather the military origin, composites now particularly interested in civil aviation, the constraints are much stricter certification, which requires predictability of behavior and life of structures much finer Thus, at present, they account for over 50% of the mass of newer aircraft such as the Airbus A350, the Airbus A380 or the Boeing 787. The potential of composite materials is important, but will speak only on one condition: work not only on the basic constituents of the material (fibers, resin, ...) on the injection preparation conditions (methods, thermal cycle, shaped in the mold, ...) but also and above all on the function of the material in the structure. Indeed, the aterial is a component of a more complex system, consisting of parts, assemblies, subassemblies and the structure itself. This vision system involves understanding the material as parameters, not data, an overall optimization of the structure. This link between material and structure is evident for composites where fiber orientation, or reinforcements in a more general way, in the direction of efforts can greatly increase the performance / weight ratio. We understand that optimizing the structure requires, among other things, a design material to locally respond to the "just need" structural. The main objectives of this special issue (consisting mainly of a selection of papers presented at 5th International Symposium on AirCraft MAterials ACMA 2014) are, by means of modeling strategies and simulation out with conventional strategies, pushing the current limits in modeling and computation in response industrial and societal challenges. It is also to control the calculations and models in a framework that takes into account the major sources of uncertainty to optimize materials and structures. Particular attention is made to the modeling and validation of composite materials and structures

Optimization of solder joints in embedded mechatronic systems via Kriging-assisted CMA-ES algorithm

In power electronics applications, embedded mechatronic systems (MSs) must meet the severe operating conditions and high levels of thermomechanical stress. The thermal fatigue of the solder joints remains the main mechanism leading to the rupture and a malfunction of the complete MS. It is the main failure to which the lifetime of embedded MS is often linked. Consequently, robust and inexpensive design optimization is needed to increase the number of life cycles of solder joints. This paper proposes an application of metamodel-assisted evolution strategy (MA-ES) which significantly reduces the computational cost of ES induced by the expensive finite element simulation, which is the objective function in optimization problems. The proposed method aims to couple the Kriging metamodel with the covariance matrix adaptation evolution strategy (CMA-ES). Kriging metamodel is used to replace the finite element simulation in order to overcome the computational cost of fitness function evaluations (finite element model). Kriging is used together with CMA-ES and sequentially updated and its fidelity (quality) is measured according to its ability in ranking of the population through approximate ranking procedure (ARP). The application of this method in the optimization of MS proves its efficiency and ability to avoid the problem of computational cost

Hybridations d'algorithmes métaheuristiques en optimisation globale et leurs applications

L optimisation des structures est un processus essentiel dans la conception des systèmes mécaniques et électroniques. Cette thèse s intéresse à la résolution des problèmes mono-objectifs et multi-objectifs des structures mécaniques et mécatroniques. En effet, les industriels ne sont pas seulement préoccupés à améliorer les performances mécaniques des pièces qu ils conçoivent, mais ils cherchent aussi à optimiser leurs poids, leurs tailles, ainsi que leurs coûts de production. Pour résoudre ce type de problème, nous avons fait appel à des métaheuristiques robustes qui nous permettent de minimiser le coût de production de la structure mécanique et de maximiser le cycle de vie de la structure. Alors que des méthodes inappropriées de l évolution sont plus difficiles à appliquer à des modèles mécaniques complexes en raison de temps calcul exponentiel. Il est connu que les algorithmes génétiques sont très efficaces pour les problèmes NP-difficiles, mais ils sont très lourds et trop gourmands quant au temps de calcul, d où l idée d hybridation de notre algorithme génétique par l algorithme d optimisation par essaim de particules (PSO) qui est plus rapide par rapport à l algorithme génétique (GA). Dans notre expérimentation, nous avons obtenu une amélioration de la fonction objectif et aussi une grande amélioration de la minimisation de temps de calcul. Cependant, notre hybridation est une idée originale, car elle est différente des travaux existants. Concernant l avantage de l hybridation, il s agit généralement de trois méthodes : l hybridation en série, l hybridation en parallèle et l hybridation par insertion. Nous avons opté pour l hybridation par insertion par ce qu elle est nouvelle et efficace. En effet, les algorithmes génétiques se composent de trois étapes principales : la sélection, le croisement et la mutation. Dans notre cas, nous remplaçons les opérateurs de mutation par l optimisation par essaim de particules. Le but de cette hybridation est de réduire le temps de calcul ainsi que l amélioration la solution optimale.This thesis focuses on solving single objective problems and multiobjective of mechanical and mechatronic structures. The optimization of structures is an essential process in the design of mechanical and electronic systems. Industry are not only concerned to improve the mechanical performance of the parts they design, but they also seek to optimize their weight, size and cost of production. In order to solve this problem we have used Meta heuristic algorithms robust, allowing us to minimize the cost of production of the mechanical structure and maximize the life cycle of the structure. While inappropriate methods of evolution are more difficult to apply to complex mechanical models because of exponential calculation time. It is known that genetic algorithms are very effective for NP-hard problems, but their disadvantage is the time consumption. As they are very heavy and too greedy in the sense of time, hence the idea of hybridization of our genetic algorithm optimization by particle swarm algorithm (PSO), which is faster compared to the genetic algorithm (GA). In our experience, it was noted that we have obtained an improvement of the objective function and also a great improvement for minimizing computation time. However, our hybridization is an original idea, because it is a different and new way of existing work, we explain the advantage of hybridization and are generally three methods : hybridization in series, parallel hybridization or hybridization by insertion. We opted for the insertion hybridization it is new and effective. Indeed, genetic algorithms are three main parts : the selection, crossover and mutation. In our case,we replace the operators of these mutations by particle swarm optimization. The purpose of this hybridization is to reduce the computation time and improve the optimum solution.ROUEN-INSA Madrillet (765752301) / SudocSudocFranceF

Etude mécano-fiabiliste et réduction du modèle des problèmes vibro-acoustiques à paramètres aléatoires

Dans de nombreuses applications industrielles, les structures en vibration à dimensionner sont en contact avec un fluide (fluide autour des coques des bateaux, réservoirs, échangeurs de chaleur dans les centrales, l industrie automobile, etc). Cependant, le comportement dynamique de la structure peut être modifié de façon importante par la présence du fluide. Le dimensionnement doit donc prendre en compte les effets de l interaction fluide-structure.Ces applications nécessitent un couplage efficace. En outre, l analyse dynamique des systèmes industriels est souvent coûteuse du point de vue numérique. Pour les modèles éléments finis des problèmes couplés fluide-structure, l importance de la réduction de la taille devient évidente car les degrés de liberté du fluide seront ajoutés à ceux de la structure. Des méthodes de réduction du modèle seront utilisées pour réduire la taille des matrices obtenues.Traditionnellement, l étude de ces systèmes couplés est fondée sur une démarche déterministe dans laquelle l ensemble des paramètres utilisés dans le modèle prennent une valeur fixe.Par contre, il suffit d avoir procédé à quelques expérimentations pour se rendre compte des limites d une telle modélisation, d où la nécessité de la prise en compte des incertitudes sur les paramètres du système couplé.Ce travail de thèse s articule autour de trois études principales. La première consiste à mener une étude déterministe numérique et analytique des problèmes vibro-acoustiques sans réduction de modèles. Cette dernière est basée sur une formulation non symétrique déplacement/pression et une formulation symétrique déplacement/pression et potentiel des vitesses. Dans la deuxième étude, on propose deux méthodes de réduction du modèle : analyse et synthèse modales pour la résolution des problèmes vibro-acoustiques des grandes tailles des systèmes couplés modélisés par la méthode des éléments finis. La méthode de synthèse modale développée couple une méthode de sous-structuration dynamique de type Craig et Bampton et une méthode de sous domaines acoustiques.Enfin, pour tenir compte des incertitudes sur les paramètres du système couplé, on a développé dans la troisième étude une méthode numérique stochastique de synthèse modale étendue à une étude de fiabilité basée sur les approches FORM et SORM pour la résolution de ces problèmes. Ces démarches vont nous permettre de résoudre les problèmes vibro-acoustiques, sans utiliser les méthodes classiques, qui consistent à faire un calcul modal direct allié à la simulation de Monte Carlo demandant un coup de temps très élevé.Plusieurs exemples académiques et industriels ont été traités pour valider les approches proposées.L étude numérique est conduite en utilisant un code élaboré sous MATLAB couplé au code commercial ANSYS afin d évaluer la fiabilité du système couplé. La confrontation des résultats numériques, analytiques et expérimentaux nous permet de valider conjointement le processus de calcul et les méthodes proposées dans le domaine de l analyse fréquentielle et l étude fiabiliste des structures immergées. D un point de vue industriel, ces méthodes visent à promouvoir l introduction de la culture de l incertain dans les métiers de la conception et encouragent la construction d un modèle fiable et robuste pour les problèmes d interaction fluide-structure.In several industrial applications, the vibrating structures are in contact with a fluid (fluid around the hulls of a boats, reservoirs, heat exchangers in power plants, ...), but the dynamic behavior of the structure can be significantly modified by the presence of the fluid. The sizing must take into account the effects of fluid-structure interaction. These applications require an effective coupling. In addition, the dynamic analysis of the industrial systems is often expensive from the numerical point of view. For the coupling fluid structure finite elements models, the importance of the size reduction becomes obvious because the fluid s freedom degrees will be added to those of the structure. A proposed condensation method will be used to reduce the matrixes size. Traditionally, the study of the fluid-structure interaction is based on a deterministic approach where all the parameters used in the model have a fixed value. But it suffices having conducted a few experimentations to realize the limitations of such modeling. Hence it need to take into accounts the uncertainty on the parameters of mechanical systems. In this thesis, we deal with the simulation of vibro-acoustic problems. The first part presents a numerical and analytical study of deterministic problems without model s reduction, based on a non-symmetric formulation displacement/pressure and on a symmetric formulation displacement/pressure and velocity potential. In the second part of this work, two methods are proposed to reduce the model : modal analysis and modal synthesis for solving vibro-acoustic problems of large sizes modeled by finite elements method. The developed modal synthesis method is coupling dynamic substructure of Craig and Bampton type and acoustic subdomain based on a pressure formulation. To take into account the parameter s uncertainties of the coupled system, we have developed a numerical stochastic method of the modal synthesis and modal analysis extended to reliability study, based on the FORM and SORM approaches. These approaches will allow us to solve the vibro-acoustic problems without using classical procedure. It may become prohibitive in terms of computation time. Several academic and industrial examples are studied to validate the proposed methods. The numerical study is performed using a code developed with MATLAB coupled with the commercial code ANSYS in order to evaluate the reliability of systems. The comparison of numerical, analytical and experimental results enables us to jointly validate the calculation process and the proposed methods in the domain of frequency analysis and reliability study of submerged structures. From the industrial point of view, our research work aim is to promote the introduction of the uncertainty s culture during modeling in the context of design processes.ROUEN-INSA Madrillet (765752301) / SudocSudocFranceF

Gestion du risque climatique par l'utilisation des produits dérivés d'assurance

Cette thèse s intéresse à la gestion du risque climatique par l utilisation des produits dérivés climatiques. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse sont une contribution aux aspects statistiques, économétriques et financiers de la modélisation et de l'évaluation des produits dérivés climatiques. Un intérêt particulier a été accordé au contexte marocain aussi bien au niveau du volet qualitatif que quantitatif. En plus des développements théoriques que nous avons apportés (tests statistiques pour vérifier l impact du climat sur l économie, amélioration d un modèle de prévision de la température moyenne quotidienne, confirmation du choix de la température moyenne, au lieu des températures extrêmes, comme sous-jacent pour les contrats basés sur la température, etc.), nous avons proposé des cas de gestion entre opérateurs économiques marocains exerçant des activités sensibles à l aléa climatique avec des profils de risque différents en leur apportant des solutions de couverture basées sur l utilisation de produits dérivés climatiques.This thesis focuses on the weather risk management by using weather derivatives. The work done in this thesis is a contribution to statistics, econometric and financial aspects of the modeling and the evaluation of weather derivatives. Particular attention was paid to the Moroccan context both in a qualitative point of view. In additionto theoretical developments that we have made (statistical tests to verify the impact of weather conditions on the economy, improvement of a model to forecast daily average temperatures, confirming the choice of the average temperature instead of extreme temperatures as the preferred under lying for contracts based on temperature, etc.), we also proposed case studies with Moroccan economic actors carrying out their weather sensitive activities and having different risk profiles and we provide them hedging solutions based on the use of weather derivatives.ROUEN-INSA Madrillet (765752301) / SudocSudocFranceF

Measurements and Stochastic FEA with Application in Thermomechanical Characterization of Electronic Packages

The aim of this study was to validate/calibrate two tools to be able to reliably measure/predict warpage at ambient temperature, especially for ball grid array (BGA) electronic packages. The tools used in this study were a high-precision microscope and a finite-element model. First, the authors calibrated the microscope by comparing the obtained results with the results obtained with a shadow moiré machine (considered as reference) and then the finite-element model was calibrated to the microscope. The numerical study was not restricted to a deterministic approach; a stochastic study was also performed for taking into account parameter uncertainties. The results demonstrated that both tools are reliable alternatives for thermomechanical characterization of BGA packages at room temperature. The results obtained in the finite-element model calibration phase showed the importance of adopting a probabilistic approach, at the same time proving that the elaborated warpage numerical model is a good basis for future advanced analysis such as optimization or numerical design of experiments while having reasonable investment and time-consumption costs

Fiabilité et optimisation des structures mécaniques à paramètres incertains (application aux cartes électroniques)

L'objectif principal de cette thèse est l'étude de la fiabilité des cartes électroniques. Ces cartes sont utilisées dans plusieurs domaines, tels que l industrie automobile, l aéronautique, les télécommunications, le secteur médical, ..., etc. Elles assurent toutes les fonctions nécessaires au bon fonctionnement d un système électronique. Les cartes électroniques subissent diverses sollicitations (mécaniques, électriques et thermiques) durant la manipulation et la mise en service. Ces sollicitations sont dues aux chutes, aux vibrations et aux variations de température. Elles peuvent causer la rupture des joints de brasage des composants électroniques. Cette rupture entraine la défaillance du système électronique complet. Les objectifs de ce travail sont: - Développer un modèle numérique pour la simulation du drop-test d une carte électronique ; - Prédire la durée de vie en fatigue des joints de brasure en tenant compte des incertitudes des diverses variables ; - Développer une méthode d optimisation fiabiliste pour déterminer la géométrie optimale qui assure un niveau cible de fiabilité d une carte électronique ; - Application d une nouvelle méthode hybride d optimisation pour déterminer la géométrie optimale d une carte électronique et d un joint de brasure. Cette thèse a donné lieu à deux publications dans une revue indexée, et deux projets de publication et quatre communications dans des manifestations internationales.The main objective of this thesis is to study the electronics cards reliability. These cards are used in many fields, such as automotive, aerospace, telecommunications, medical. They provide all necessary electronic functions for well functioning of an electronic system. Electronic cards are undergoing various extreme stresses (mechanical, electrical, and thermal) when handling and commissioning. These stresses are due to drops, vibration and temperature variations. They may cause solder joints failures of electronic components. This may causes the failure of the entire electronic system. The objectives of this work are: To develop a numerical model to simulate the drop test of an electronic card; To predict the fatigue life of solder joints in uncertain environment of the variables; To develop a reliability-optimization method to determine the optimal geometry providing a targeted reliability level of an electronic card; To apply a new hybrid optimization method in order to determine the optimal geometry both of an electronic card and a solder joint.ROUEN-INSA Madrillet (765752301) / SudocSudocFranceF

Optimisation fiabiliste d’une structure en alliage à mémoire de forme

L’objectif de l’optimisation fiabiliste (RBDO) est de trouver le meilleur compromis entre la sécurité et le coût. Plusieurs méthodes, telles que la méthode hybride (HM) et la méthode des facteurs optimaux de sûreté (OSF), sont développées pour atteindre cet objectif. Ces méthodes ont été appliquées uniquement pour les matériaux usuels. Néanmoins, le progrès effectué dans le domaine de l’élaboration de matériaux a conduit à l’utilisation des matériaux “intelligents” tel qua l’alliage à mémoire de forme (SMA). Dans ce papier, nous proposons une extension de ces méthodes dans le cas des structures formées en SMA pour étudier l’efficacité des méthodes proposées