While moment matching can effectively reduce the dimension of a linear, time-invariant system, it can simultaneously fail to improve the stable time-step for the forward Euler scheme. In the context of a semi-discrete heat equation with spatially smooth forcing, the high frequency modes are virtually insignificant. Eliminating such modes dramatically improves the stable time-step without sacrificing output accuracy. This is accomplished by modal filtration, whose computational cost is relatively palatable when applied following an initial reduction stage by moment matching. A bound on the norm of the difference between the transfer functions of the moment-matched system and its modally-filtered counterpart yields an intelligent choice for the mode of truncation. The dual-stage algorithm disappoints in the context of highly nonnormal semi-discrete convection-diffusion equations. There, moment matching can be ineffective in dimension reduction, precluding a cost-effective modal filtering step.

We present a new method for the computation of low rank approximations to the solution of large, sparse, stable Lyapunov equations. It is based on a generalization of the classical Smith method and profits by the usual low rank property of the right hand side matrix. The requirements of the method are moderate with respect to both computational cost and memory. Hence, it provides a possibility to tackle large scale control problems. Besides the efficient solution of the matrix equation itself, a thorough integration of the method into several control algorithms can improve their performance to a high degree. This is demonstrated for algorithms for model reduction and optimal control. Furthermore, we propose a heuristic for determining a set of suboptimal ADI shift parameters. This heuristic, which is based on a pair of Arnoldi processes, does not require any a priori knowledge on the spectrum of the coefficient matrix of the Lyapunov equation. Numerical experiments show the efficiency of the iterative scheme combined with the heuristic for the ADI parameters.

This dissertation concerns the model reduction of linear periodic descriptor systems both in continuous and discrete-time case. In this dissertation, mainly the projection based approaches are considered for model order reduction of linear periodic time varying descriptor systems. Krylov based projection method is used for large continuous-time periodic descriptor systems and balancing based projection technique is applied to large sparse discrete-time periodic descriptor systems to generate the reduce systems. For very large dimensional state space systems, both the techniques produce large dimensional solutions. Hence, a recycling technique is used in Krylov based projection methods which helps to compute low rank solutions of the state space systems and also accelerate the computational convergence. The outline of the proposed model order reduction procedure is given with more details. The accuracy and suitability of the proposed method is demonstrated through different examples of different orders. Model reduction techniques based on balance truncation require to solve matrix equations. For periodic time-varying descriptor systems, these matrix equations are projected generalized periodic Lyapunov equations and the solutions are also time-varying. The cyclic lifted representation of the periodic time-varying descriptor systems is considered in this dissertation and the resulting lifted projected Lyapunov equations are solved to achieve the periodic reachability and observability Gramians of the original periodic systems. The main advantage of this solution technique is that the cyclic structures of projected Lyapunov equations can handle the time-varying dimensions as well as the singularity of the period matrix pairs very easily. One can also exploit the theory of time-invariant systems for the control of periodic ones, provided that the results achieved can be easily re-interpreted in the periodic framework. Since the dimension of cyclic lifted system becomes very high for large dimensional periodic systems, one needs to solve the very large scale periodic Lyapunov equations which also generate very large dimensional solutions. Hence iterative techniques, which are the generalization and modification of alternating directions implicit (ADI) method and generalized Smith method, are implemented to obtain low rank Cholesky factors of the solutions of the periodic Lyapunov equations. Also the application of the solvers in balancing-based model reduction of discrete-time periodic descriptor systems is discussed. Numerical results are given to illustrate the effciency and accuracy of the proposed methods.

[pt] Esta dissertação tem como principal objetivo estudar aplicações da expansão ou decomposição de Karhunen-Loève em dinâmica de estruturas. Esta técnica consiste, basicamente, na obtenção de uma decomposição linear da resposta dinâmica de um sistema qualquer, representado por um campo vetorial estocástico, tendo a importante propriedade de ser ótima, no sentido que dado um certo número de modos, nenhuma outra decomposição linear pode melhor representar esta resposta. Esta capacidade de compressão de informação faz desta decomposição uma poderosa ferramenta para a construção de modelos reduzidos para sistemas mecânicos em geral. Em particular, este trabalho aborda problemas em dinâmica estrutural, onde sua aplicação ainda é bem recente. Inicialmente, são apresentadas as principais hipóteses necessárias à aplicação da expansão de Karhunen-Loève, bem como duas técnicas existentes para sua implementação, com domínios distintos de utilização.É dada especial atenção à relação entre os modos empíricos fornecidos pela expansão e os modos de vibração intrínsecos a sistemas vibratórios lineares, tanto discretos quanto contínuos, exemplificados por uma treliça bidimensional e uma placa retangular. Na mesma linha, são discutidas as vantagens e desvantagens de se usar esta expansão como ferramenta alternativa à análise modal clássica. Como aplicação a sistemas não-lineares, é apresentado o estudo de um sistema de vibroimpacto definido por uma viga em balanço cujo deslocamento transversal é limitado por dois batentes elásticos. Os modos empíricos obtidos através da expansão de Karhunen-Loève são, então, usados na formulação de um modelo de ordem reduzida, através do método de Galerkin, e o desempenho deste novo modelo investigado. / [en] This dissertation has the main objetive of studying applications of the Karhunen-Loève expansion or decomposition in structural dynamics. This technique consists basically in obtaining a linear decomposition of the dynamic response of a general system represented by a stochastic vector field. It has the important property of optimality, meaning that for a given number of modes, no other linear decomposition is able of better representing this response. This information compression capability characterizes this decomposition as powerful tool for the construction of reduced-order models of mechanical systems in general. Particularly, this work deals with structural dyamics problems where its application is still quite new. Initially, the main hypothesis necessary to the application of the Karhunen-Loève expansion are presented, as well as two existing techniques for its implementation that have different domains of use. Special attention is payed to the relation between empirical eigenmodes provided by the expansion and mode shapes intrinsic to linear vibrating systems, both discrete and continuous, exemplified by a bidimensional truss and a rectangular plate. Furthermore, the advantages and disadvantages of using this expansion as an alternative tool for classical modal analysis are discussed. As a nonlinear application, the study of a vibroimpact system consisting of a cantilever beam whose transversal displacement is constrained by two elastic barriers is presented. The empirical eigenmodes provided by the Karhunen-Loève expansion are then used to formulate a reduced-order model through Galerkin projection and the performance of this new model is investigated.

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Pour les solutions transitoires répétées des structures géométriquement nonlinéaires l’effort numérique présente souvent une contrainte importante. Ainsi, l’introduction d’un modèle d’ordre réduit, qui prend en compte les effets nonlinéaires et qui accélère considérablement les calculs, s’avère souvent nécessaire.Ce travail aboutit à une méthode qui permet des solutions transitoires accélérées, fidèles et paramétrables, à travers d’un modèle réduit de la structure initiale. La structure est discrétisée et son équilibre dynamique décrit par une équation matricielle. La projection sur une base réduite est introduite afin d’obtenir un modèle réduit. Une étude numérique complète sur plusieurs bases communes démontre que la simple introduction d’une base constante ne suffit pas pour prendre en compte le comportement nonlinéaire. Trois exigences sont déduites pour une solution transitoire accélérée, fidèle et paramétrable. L’algorithme de solution doit permettre un suivi de l’évolution nonlinéaire de la solution transitoire, la solution doit être autonome des termes nonlinéaires en éléments finis et la base doit être adaptée à des paramètres externes.Trois approches sont mises en place, chacune répondant à une exigence. Ces approches sont assemblées dans la méthode intégrée. Les approches sont la mise-à-jour et augmentation de la base , la formulation polynomiale des termes nonlinéaires et l’interpolation de la base. Un algorithme de type Newmark forme le cadre de la méthode intégrée. L’application de la méthode intégrée sur des cas test en élément finis géométriquement nonlinéaires confirme qu’elle répond au but initial d’obtenir des solutions transitoires accélérées, fidèles et paramétrables. / For repeated transient solutions of geometrically nonlinear structures the numerical effort often poses a major obstacle. Thus, the introduction of a reduced order model, which takes the nonlinear effects into account and accelerates the calculations considerably, is often necessary.This work yields a method that allows for rapid, accurate and parameterisable solutions by means of a reduced model of the original structure. The structure is discretised and its dynamic equilibrium described by a matrix equation. The projection on a reduced basis is introduced to obtain the reduced model. A comprehensive numerical study on several common reduced bases shows that the simple introduction of a constant basis is not sufficient to account for the nonlinear behaviour. Three requirements for an rapid, accurate and parameterisable solution are derived. The solution algorithm has to take into account the nonlinear evolution of the solution, the solution has to be independent of the nonlinear finite element terms and the basis has to be adapted to external parameters.Three approaches are provided, each responding to one requirement. These approaches are assembled to the integrated method. The approaches are the update and augmentation of the basis, the polynomial formulation of the nonlinear terms and the interpolation of the basis. A Newmark-type time-marching algorithm provides the frame of the integrated method. The application of the integrated method on test-cases with geometrically nonlinear finite elements confirms that this method leads to the initial aim of a rapid, accurate and parameterisable transient solution.

Une méthode innovante pour simuler des interactions fluide-structure complexes tout en gardant un bon compromis temps de calcul/précision est présenté.Pour réduire le temps de simulation des modèles d’ordre réduits sont utilisés au lieu des modèles complets aussi bien pour les modèles structuraux que pour les modèles aérodynamiques. Un des challenges de base était d'utiliser des modèles industrielles hautes fidélités. La technique de condensation dynamique est utilisée pour réduire la taille du modèle éléments finis structures et la décomposition aux valeurs propres est utilisé sur une base de données aérodynamiques construite à partir de simulations CFD.Les non-linéarités structurelles sont réintroduites à posteriori.Une comparaison poussée des méthodes classique d'interpolation comme des méthodes de spline, d’interpolation sur des Manifold de Grassmann avec des méthodes innovantes d'apprentissage statistiques a été amené.Afin de valider complètement la méthodologie développée, une maquette expérimentale visant à imiter le comportement du carénage au sol avant le décollage a été conçue.Ce cas a pu être assimilé à une plaque avec des raideurs de liaisons dans une couche de mélange.La validation de cette méthode est réalisée en comparant les résultats des simulations numériques avec les données enregistrées pendant des essaies en soufflerie. On pourra ainsi comparer aussi bien des champs que des mesures locales. L'ensemble des essais a permis d'améliorer la compréhension de ce phénomène vibratoire qui mène à des problèmes récurrents de fatigue dans cette sous structures.Cette méthode est enfin appliquée à une structure aéronautique: les carénages de volet hypersustentateur / An innovative method for numerical simulating complex problems of fluid structure interaction, such as non-linear transients, characterized by good performances and high precision is presented in this manuscript. To cut down the simulation time, reduced order models are used for both the aerodynamic and structural modules. High fidelity industrial models have been used. A technique of dynamic condensation is employed to reduce the size of the finite element model while the technique of Proper Orthogonal Decomposition is used on a database of aerodynamic pressures built from CFD simulations. Structural non-linearities are reintroduced a posteriori. Different interpolation techniques such as the classic spline interpolation, interpolation on a Grassmann Manifold with more innovative methods of statistical learning have been compared. In order to validate the developed methodology a test campaign has been designed to reproduce a simplified mechanism of interaction inspired by a flap track fairing in take-off configuration. A plate whose stiffness depends on the springs at its attachment to the wind tunnel test section floor is immersed in a mixing layer. In parallel to the test activities a numerical model of the test rig has been developed. The validation of the methodology of fluid structure interaction is done through direct comparison between test data and simulation results. The testing activities have granted a deeper comprehension of the vibratory phenomenon that has led to recurrent fatigue problems on the impacted structures. The methodology is ultimately applied to an industrial problem: the load prediction on flap track fairings excited by engine exhaust.

Les sources d’énergies renouvelables représentent un gisement intéressant mais l’intermittence de leur production impose une meilleure anticipation des besoins et la mise en place d’un système de stockage d’énergie. Le stockage thermochimique par adsorption dans un système intégrant le couple zéolithe 13X/eau semble être une solution adaptée à un stockage de l’énergie à basse température pour une application aux bâtiments. Notre objectif consiste à reproduire le comportement de ce type de problèmes thermiques non-linéaires. En effet, une simulation précise et rapide du comportement du système sélectionné permettrait une régulation lors de son utilisation. Un modèle bidimensionnel de stockage d’énergie dans un adsorbeur cylindrique a été développé. La résolution numérique de ce modèle, dit d’ordre élevé, implique l’intégration d’un système de quelques centaines à quelques milliers d’équations fortement non-linéaires et couplés. Les coûts de calculs générés pouvant être prohibitifs, l’application d’une méthode de réduction a ainsi été envisagée afin de conserver les caractéristiques, le couplage des transferts de chaleur et de masse ainsi que les non-linéarités de ce modèle tout en limitant le temps de calculs. La projection de Galerkin des équations de ce dernier sur la base, obtenue grâce à une décomposition orthogonale aux valeurs propres, permet de construire un système dynamique d’ordre faible. Sa résolution est moins coûteuse que celle du modèle d’ordre élevé et reproduit correctement la dynamique de l’adsorbeur. / Renewable energy sources will play a key role in meeting future energy demand. One major criticism of those sources stands in their intermittency requiring both a more effective management of demand and efficient storage systems. We focus on thermo-chemical storage by adsorption-desorption mechanism. Eco friendly, economically viable and suitable with solar energy temperature range made the zeolite 13X - water pair ideal for buildings applications. We built an energy storage model in a cylindrical adsorber which contains the mentioned zeolite13X - water pair. Energy storage has been modeled to present coupled heat and mass transfers thanks to a bi-dimensional model. The numerical simulations lead to the time-space evolution of the heating fluid and adsorbent temperatures and pressure. These knowledge models include typically a great amount of coupled differential equations to solve and strong non linearities. The originality of this study is to build a knowledge model of coupled heat and mass transfer in an adsorber and use the Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Galerkin projection to build a minimal model of lower dimension without significant loose of accuracy.

L’utilisation de techniques numériques lors de la conception d’un produit s’est largement généralisée au cours des 30 dernières années. Pourtant, la lenteur des calculs et la spécialisation des modèles numériques restent problématiques.Nous avons donc choisi de développer des modèles réduits du comportement de balayage sur un moteur Diesel 2-temps à lumières. Ces modèles sont analytiques, génériques, rapides d’utilisation et permettent d’éliminer les problématiques de traitement numérique. Ils sont aussi des instruments performants dans la recherche de solutions de conception. Une modélisation CFD 2D a tout d’abord été développée pour servir de bases de données, avec la définition des paramètres primordiaux à suivre pour quantifier un balayage optimal.Le travail de recherche a dévoilé une méthodologie nouvelle fondée sur un méta-modèle du comportement dit « neuro-séparé » comprenant un modèle neuronal d’état, un modèle neuronal pseudo-dynamique et un modèle à variables séparées. Ensuite, un processus d'aide à la décision exploitant les modèles précédents a été mis en place au travers d’un processus d’optimisation évolutionnaire (fondé sur les algorithmes génétiques) puis de la simulation comportementale rapide des solutions optimales de conception par un krigeage.La démarche de conception multipoints de vue, multi-critères et multi-physiques appliquée au moteur intègre aussi une dimension cognitive : l’exploration évolutionnaire des espaces de solutions a été menée de façon libre et forcée. Afin de valider notre approche, nous avons mis en place des critères de qualification appliqués à chacun de nos modèles, permettant de quantifier les écarts visà-vis de la base initiale CFD qui a fondé nos modèles réduits.Notre démarche a mené à la création d’un outil d’aide à la modélisation et à la décision exploitant les modules Python et Matlab développés. / The use of numerical methods to design a product became more and more commonover the past 30 years. However, numerical models are still specialized and they do not run fastwhich make their use problematic. So some reduced models of scavenging have been developed. These models are analytical andgeneric; they run quickly and avoid the numerical treatment problems. They are also some efficienttools in the search of design solutions.The work carried out has led to a new methodology based on a behavioral meta-model called“neuro-separated” including a neuronal model of state, a pseudo-dynamic neuronal model and amodel with separated variables. Then, a process of decision aids exploiting the models previouslydeveloped in evolutionary algorithms (genetic algorithms) and the fast behavioral simulation of theoptimal design solutions thanks to the kriging approach.This design approach is multi-viewpoints, multi-criteria and multi-physics. It also includes acognitive dimension: both free and controlled evolutionary explorations of solution spaces have beendone. To validate the method, some qualification criteria have been evaluated for each model. Theyallow to understand and to assume the gap between the reduced models and the initial CFD base(where the model are coming from). Our approach has led to the development of a tool of model and decision aids using Python and Matlab software programs.

Il est connu depuis des décennies que la propagation des fissures de fatigue dans les matériaux élastoplastiques est très sensible à l’histoire du chargement car le comportement non-linéaire du matériau peut avoir une grande influence sur les vitesses de propagation. Cependant, le calcul brut de millions de cycles de fatigue avec des comportements matériaux non-linéaires sur des structures tridimensionnelles réalistes conduirait à des temps de calcul prohibitifs. Ainsi, nous proposons de coupler deux approches de réduction de modèle a priori et a posteriori, afin de diminuer considérablement le coût de calcul de ce type de problèmes. Tout d’abord, considérant l’hypothèse de plasticité confinée, une stratégie de réduction de modèle a posteriori du comportement plastique de la structure fissurée est proposée. Le modèle réduit ainsi obtenu fournit incrémentalement l’état plastique autour du front de fissure, duquel est déduite la vitesse instantanée de la fissure. De plus, une seconde approche de réduction de modèle, a priori cette fois, est aussi mise en place afin d’accélérer encore plus les temps de résolution du problème global. Cette approche a priori consiste à construire incrémentalement —et sans calculs préalables— une base réduite spécifique à chaque cas-test, en extrayant de l’information des champs de déplacement de la structure au cours du temps et pendant la propagation éventuelle de la fissure. Ainsi, les champs de déplacement solutions de la géométrie fissurée réactualisée sont vus comme une combinaison linéaire de cette base réduite de vecteurs. La méthode numérique considérée ici est la méthode des éléments finis. De fait, pendant la propagation de la fissure, la discrétisation spatiale du modèle doit être réactualisée afin d’être conforme avec le front de la fissure. Dans ce but, une technique spécifique de déformation de maillage est utilisée, et permet de discrétiser la géométrie variable du modèle avec des maillages de même topologie. Cette technique de déformation de maillage apparaît comme une étape clé de la stratégie de réduction de modèle. Finalement, une approche adaptative est construite autour de cette stratégie. Elle permet de garantir la qualité des résultats obtenus par rapport à un critère de précision donné. La précision et l’efficacité de cette stratégie globale sont démontrées à travers de nombreux exemples bidimensionnels et tridimensionnels dans le cadre de propagation de fissure en model, de même que pour un exemple industriel d’une pièce fissurée d’hélicoptère. / It has been known for decades that fatigue crack propagation in elastic-plastic media is very sensitive to load history since the nonlinear behavior of the material can have a great influence on propagation rates. However, the raw computation of millions of fatigue cycles with nonlinear material behavior on tridimensional structures would lead to prohibitive calculation times. In this respect, we propose a global model reduction strategy, mixing both the a posteriori and a priori approaches in order to drastically decrease the computational cost of these types of problems. First, the small scale yielding hypothesis is assumed, and an a posteriori model reduction of the plastic behavior of the cracked structure is performed. This reduced model provides incrementally the plastic state in the vicinity of the crack front, from which the instantaneous crack growth rate is inferred. Then an additional a priori model reduction technique is used to accelerate even more the time to solution of the whole problem. This a priori approach consists in building incrementally and without any previous calculations a reduced basis specific to the considered test-case, by extracting information from the evolving displacement field of the structure. Then the displacement solutions of the updated crack geometries are sought as linear combinations of those few basis vectors. The numerical method chosen for this work is the finite element method. Hence, during the propagation the spatial discretization of the model has to be updated to be consistent with the evolving crack front. For this purpose, a specific mesh morphing technique is used, that enables to discretize the evolving model geometry with meshes of the same topology. This morphing method appears to be a key component of the model reduction strategy. Finally, the whole strategy introduced above is embedded inside an adaptive approach, in order to ensure the quality of the results with respect to a given accuracy. The accuracy and the efficiency of this global strategy have been shown through several examples; either in bidimensional and tridimensional cases for model crack propagation, including the industrial example of a helicopter structure.