The present work is concerned with the advancement of the knowledge of structural optimization in engineering design while focusing on efficient and easy to use ways of setting-up the required automated processes as well as the problems arising from it. Three industry examples are considered. In the first example a software tool that serves as a hands-on decision guidance for many occurring design situations for structured wall PE pipes is developed. In order to avoid licensing fees only public domain software or in-house code are used. It offers the efficient and automated simulation of the ringstiffness test as well as the most common pipe installation scenarios. In addition, an optimization feature is implemented for the design of optimum pipe profiles with regards to the ringstiffness test. In the second example a framework for the optimum design of carbon fibre mountain bike frames is developed. An extensively parameterized and automated simulation model is created that allows for varying tube shapes, paths and laminate ply thicknesses as well as joint locations. For improved efficiency a decomposition approach has been employed that decomposes the original optimization problem into a size optimization sub problem and a shape optimization top level problem. The former is solved by the built-in optimization tool in OptiStruct and the latter by means of surrogate based optimization where each experiment in the DoE is a full size optimization. The third example is concerned with the optimum design of a blade for a novel vertical axis wind turbine. A design approach similar to those with horizontal axes is chosen. The altered design requirements are accounted for by creating a parameterized simulation model and performing size optimization runs for 32 models with different material settings and shear web locations where the model creation process has been automated.

<p> The quasi-steady state optimization of a single tubular fixed bed chemical reactor with a slowly decaying catalyst is considered. The optimal choice of temperature T(z,t) distributed in both the space of the reactor and in chronological time is sought so as to maximize the total amount of reaction in a fixed given period of time. A single irreversible reaction is considered with a rate expressible as a product of separate functions of temperature, activity and conversion. The rate of catalyst decay is also a product of separate functions of temperature and activity but independent of conversion. Upper and lower bounds are placed on the permitted temperature. Theoretical characterization of the optimal policy is obtained using Sirazetdinov and Degtyarev's maximum principle derived for first-order partial differential equations and the influence of the ratio of reaction activation energy to catalyst deactivation energy on the derived optimal policy is indicated. Numerical calculations are presented to illustrate the optimal policies.</p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

L'objet de la thèse est le développement de méthodes de contrôle et d'optimisation automatiques pour les écoulements décollés, avec application aux écoulements de manches à air coudées pour les drones furtifs. Une méthode de dérivée topologique est utilisée pour la création de dispositifs de contrôle appelés générateurs de vortex mécaniques dans un écoulement de référence, tandis que le dimensionnement de ceux-ci est réalisé à l'aide d'une méthode classique de gradient. Des simulations numériques seront présentées dans un cadre stationnaire et instationnaire.

Ce document présente une synthèse de mes principaux travaux de recherche effectués jusqu'à ce jour. Ils portent essentiellement sur l'analyse de sensibilité topologique et ses applications en optimisation et reconstruction de formes. Cette technique récente consiste à étudier la sensibilité d'une fonctionnelle dépendant d'un domaine par rapport à une perturbation infinitésimale de la topologie de ce dernier, comme typiquement la nucléation d'un trou. La notion de dérivée topologique, ou gradient topologique, qui en découle peut alors être utilisée de différentes manières dans des algorithmes d'optimisation de formes afin de générer des modification de topologie. Sont abordés les aspects analytiques, algorithmiques, ainsi que divers exemples d'applications parmi lesquels l'optimisation de structures élastiques, l'optimisation d'écoulements incompressibles ou encore la détection de défauts géométriques.

Cette thèse est motivée par les problèmes induits par la corrélation des défauts dans les produits dérivés de crédit. La thèse contient deux parties. La première est consacrée à analyser théoriquement les défauts successifs. On propose une nouvelle approche, basée sur la densité des probabilités conditionnelles de survie, pour traiter ce qui se passe après le premier défaut en déterminant les compensateurs des défauts successifs et en calculant les espérances conditionnelles par rapport à la filtration du marché. Dans la deuxième partie, on présente une méthode d'approximation pour calculer les prix des CDOs en utilisant la méthode de Stein et la transformation de zéro biais. On obtient un terme correcteur explicite pour l'approximation gausienne et on estime la vitesse de convergence. Les tests numériques montrent l'efficacité de cette méthode par rapport aux méthodes classiques. On établit aussi des résultats similaires pour l'approximation poisonnienne en appuyant sur des variantes discrètes de la méthode. Enfin, pour les fonctions plus régulières, on propose des correcteurs d'ordres supérieurs.

en Español:Se propone un modelo de FC basado en ecuaciones electroquímicas para predicción del exceso de oxígeno y de la temperatura de la pila, permitiendo además una conexión circuital con la carga. Así mismo, se presenta una técnica de modelado basada en Fuzzy, orientada a la emulación, obteniendo gran precisión con carga computacional reducida. Usando este último modelo se diseña e implementa un emulador. Estos modelos y el sistema de emulación fueron validados usando un sistema experimental.Adicionalmente, diferentes topologías de sistemas de potencia basados en FC se proponen y analizan, obteniendo un criterio de selección dependiendo de la aplicación. Así mismo, se presentan criterios de control para una operación segura y eficiente del sistema. Finalmente, se proponen una metodología para la caracterización de los puntos óptimos de operación, y una estructura de control para operar en esas condiciones óptimas, siendo validados en un sistema experimental representativo del estado del arte. / in English:A new FC modeling approach based on electrochemical equations for thermal and oxygen excess ration prediction with a circuit-based load connection is introduced. A fuzzy-based modeling technique is also proposed for emulation purposes, it reproducing the fuel cell dynamics with a high accuracy and a short computational time. The implementation of a fuel cell emulation system, based on this model, is described and analyzed. The models and the emulation system are experimentally validated by using a benchmark fuel cell system.Different topologies for fuel cell-auxiliary storage devices interaction are also proposed and analyzed, thus giving an architecture selection criterion based on the load profile. Controllers, dynamic constrains and control objectives are designed for a safe and efficient fuel cell operation. Finally, a methodology for the identification of the fuel cell optimal operation conditions has been proposed, and a control strategy for operating in that optimal profile is introduced and validated.

Thesis (Ph. D.)--Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: Stochastic optimal control; dynamic programming; Hamilton-Jacobi-Bellman equation; Random vibration. Keywords: Stochastic optimal control; dynamic programming; Hamilton-Jacobi-Bellman equation; Random vibration; energy balance method. Includes bibliographical references (p. 86-89).

Ce document propose un parcours de mes travaux de recherche en optimisation, en passant par l'optimisation mixte en variables entières, l'optimisation non-linéaire continue locale et le clustering dans les réseaux (graphes). Le premier chapitre traite de la programmation non linéaire mixte en variables entières et de l'optimisation globale déterministe. Il présente des contributions relatives à des investigations théoriques ainsi que des applications à des problèmes concrets. Nous discutons principalement de relaxations convexes et de reformulations automatiques de problèmes de programmation mathématique, dans le but d'améliorer l'efficacité des algorithmes de Branch-and-Bound. Dans le cadre de la programmation polynomiale, nous avons étudié des relaxations convexes pour les monômes multilinéaires et la génération de relaxations compactes de problèmes polynomiaux basés sur une technique spécifique de reformulation-linéarisation (RLT). Parmi les applications, une attention particulière est portée à des problèmes qui se posent dans la gestion du trafic aérien. Nous avons proposé de nouveaux modèles mathématiques et des approches de résolution basées d'une part sur l'optimisation mixte en variables entières et d'autre part sur le contrôle optimal. Deux thèmes de l'optimisation continue non-linéaire sont décrits au deuxième chapitre. Des méthodes de point intérieur pour la programmation quadratique et leurs noyaux d'algèbre linéaire (systèmes KKT) sont d'abord discutées. L'accent est mis sur les méthodes itératives pour les systèmes KKT et sur des questions connexes, telles que les techniques de préconditionnement et les propriétés de convergence. L'autre sujet discuté concerne, encore une fois, des problèmes de trafic aérien. Il porte sur les approches déjà mentionnées de contrôle optimal qui conduisent à des problèmes non-linéaires. Le troisième chapitre présente mes principaux résultats dans le domaine du clustering dans les réseaux. Le problème de l'identification de clusters dans les réseaux peut être formulé en utilisant la programmation mathématique et conduit généralement à un problème d'optimisation combinatoire. Mes contributions concernent les critères de classification et les méthodes de clustering correspondantes. Une attention particulière est portée aux méthodes exactes utilisées pour résoudre l'ensemble du problème d'optimisation ou, localement, les sous-problèmes survenant dans des heuristiques hiérarchiques, ou enfin dans le raffinement des solutions obtenues précédemment par d'autres méthodes.

Thesis (M.S.)--Ohio University, March, 1995. / Title from PDF t.p.

Thesis (Ph. D.)--Ohio University, August, 2004. / Includes bibliographical references (p. 74-77).