CNPq / As transformações que as indústrias vêm passando são uma representação de um novo período industrial também conhecido como Indústria 4.0. Neste cenário de inovações, os conceitos relacionados à Manufatura Inteligente fazem com que haja uma busca constante pela captura do conhecimento visando aprimorar a eficiência de produtos e processos. Portanto, alterações no projeto de produtos voltadas para a melhoria da confiabilidade devem ser realizadas nas etapas inicias do Processo de Desenvolvimento de Produtos (PDP) para que os impactos técnicos e econômicos sejam reduzidos. É neste contexto que a abordagem Design for Reliability (DfR) surge como o conjunto de atividades que tem como intuito garantir a confiabilidade de um produto durante todas as etapas do seu ciclo de vida. Analisando as pesquisas mais recentes acerca do assunto e informações fornecidas por uma empresa de maquinários agrícolas, observou-se que em nenhum caso houve uma implementação do DfR nas etapas iniciais do PDP para determinação do plano de testes a partir do perfil de uso de algum produto. Dessa forma, estabeleceu-se o objetivo desta pesquisa de acordo com a elaboração de um método, baseado em um modelo ontológico, que permita a determinação do plano de testes eficaz e adequado às características de uso dos produtos. Para que esse método fosse desenvolvido, a abordagem metodológica Design Science Research (DSR) foi adotada. Dessa maneira, seis etapas tiveram de ser percorridas: 1) identificação do problema e motivação; 2) definição dos objetivos e solução; 3) projeto e desenvolvimento; 4) demonstração; 5) avaliação e 6) comunicação dos resultados. A solução reproduzida atende as necessidades dos usuários por ser um método eficiente e de simples execução, bem como aprimora a confiabilidade dos produtos ao longo do ciclo de vida. Este trabalho pode ser aplicado no processo de criação de diversos produtos trazendo vantagens significativas para empresas. / The transformations that the industries are currently facing represent a new industrial period also known as Industry 4.0. In this scenario of innovations, concepts related to Smart Manufacturing make a constant search for knowledge capture to improve the efficiency of products and processes. Therefore, changes in product design aiming the improvement of reliability should be undertaken from the early stages of the New Product Development process (NPD) to reduce technical and economical impacts. It is in this context that the Design for Reliability (DfR) approach emerges as the set of activities that aims to ensure the reliability of a product during all stages of its life cycle. Analyzing the most recent research on the subject and some information provided by an agricultural machinery company, it was not observed any case of implementation of DfR in the initial stages of the NPD to determine the test plan taking into consideration the product usage profile. Thence, the main goal of this research was established according to the elaboration of a method, based on an ontological model, which allows the determination of the more appropriate test plan considering the usage characteristics of products. In order to develop this method, the methodological approach Design Science Research (DSR) was adopted. In this way, six stages had to be covered: 1) problem identification and motivation; 2) definition of objectives and solution; 3) design and development; 4) demonstration; 5) evaluation and 6) communication of results. The final solution meets users' needs by being an efficient and easy-to-run method, as well as by enhancing products’ reliability throughout their lifecycle. This work can be applied in the process of creating several products bringing significant advantages to companies.

A utilização de ferramentas externas de diagnóstico guiado tem se tornado cada vez mais importante nas atividades de pós-venda da indústria automotiva. Isso se dá principalmente devido ao uso extensivo de sistemas embarcados nos veículos, tornando-os mais complexos e difíceis de diagnosticar. Atualmente, as técnicas empregadas para o desenvolvimento da ferramenta de diagnóstico guiado são fortemente dependentes da experiência do projetista e centralizadas nas peças e subsistemas do veículo, possibilitando baixo grau de flexibilidade e reaproveitamento da informação. Este trabalho propõe uma nova metodologia para o desenvolvimento da ferramenta de diagnóstico guiado, aplicado a um estudo de caso da indústria automotiva, numa arquitetura de software em três camadas: peças e componentes do veículo, informações e estratégia para o diagnóstico e uma camada de apresentação. Isso permite grande flexibilidade no projeto da ferramenta de diagnóstico guiado para diferentes modelos de veículos, fabricantes de peças e sistemas automotivos. A metodologia proposta é aplicada em um estudo de caso de diagnóstico da Volvo caminhões, mostrando o processo de adaptação da arquitetura de software de três camadas à metodologia proposta e seu impacto no custo do desenvolvimento da ferramenta de diagnóstico. / External guided diagnostic tools are increasingly important to the aftermarket business of automotive industry. It occurs mainly due to the extensive using of embedded systems in vehicles, making them more complex and difficult to diagnose. Currently, the techniques used to develop a guided diagnostic tool are strongly dependent on designer’s experience and are usually focused on parts and vehicle’s subsystems, allowing low flexibility and reduced information reusage. This paper proposes a new methodology for development of a guided diagnostic tool applied to the automotive industry. This methodology is based on a three-tier software architecture composed of vehicle’s parts and components, diagnostic information and strategy, and presentation layer. It allows great flexibility for designing a guided diagnostic tool for different vehicle models, parts OEMs and automotive systems. The proposed methodology has been applied to a case study at Volvo Trucks. The corresponding adaptation process to the three-tier software architecture is presented as well as its impact on development costs. / 5000

CNPq / As transformações que as indústrias vêm passando são uma representação de um novo período industrial também conhecido como Indústria 4.0. Neste cenário de inovações, os conceitos relacionados à Manufatura Inteligente fazem com que haja uma busca constante pela captura do conhecimento visando aprimorar a eficiência de produtos e processos. Portanto, alterações no projeto de produtos voltadas para a melhoria da confiabilidade devem ser realizadas nas etapas inicias do Processo de Desenvolvimento de Produtos (PDP) para que os impactos técnicos e econômicos sejam reduzidos. É neste contexto que a abordagem Design for Reliability (DfR) surge como o conjunto de atividades que tem como intuito garantir a confiabilidade de um produto durante todas as etapas do seu ciclo de vida. Analisando as pesquisas mais recentes acerca do assunto e informações fornecidas por uma empresa de maquinários agrícolas, observou-se que em nenhum caso houve uma implementação do DfR nas etapas iniciais do PDP para determinação do plano de testes a partir do perfil de uso de algum produto. Dessa forma, estabeleceu-se o objetivo desta pesquisa de acordo com a elaboração de um método, baseado em um modelo ontológico, que permita a determinação do plano de testes eficaz e adequado às características de uso dos produtos. Para que esse método fosse desenvolvido, a abordagem metodológica Design Science Research (DSR) foi adotada. Dessa maneira, seis etapas tiveram de ser percorridas: 1) identificação do problema e motivação; 2) definição dos objetivos e solução; 3) projeto e desenvolvimento; 4) demonstração; 5) avaliação e 6) comunicação dos resultados. A solução reproduzida atende as necessidades dos usuários por ser um método eficiente e de simples execução, bem como aprimora a confiabilidade dos produtos ao longo do ciclo de vida. Este trabalho pode ser aplicado no processo de criação de diversos produtos trazendo vantagens significativas para empresas. / The transformations that the industries are currently facing represent a new industrial period also known as Industry 4.0. In this scenario of innovations, concepts related to Smart Manufacturing make a constant search for knowledge capture to improve the efficiency of products and processes. Therefore, changes in product design aiming the improvement of reliability should be undertaken from the early stages of the New Product Development process (NPD) to reduce technical and economical impacts. It is in this context that the Design for Reliability (DfR) approach emerges as the set of activities that aims to ensure the reliability of a product during all stages of its life cycle. Analyzing the most recent research on the subject and some information provided by an agricultural machinery company, it was not observed any case of implementation of DfR in the initial stages of the NPD to determine the test plan taking into consideration the product usage profile. Thence, the main goal of this research was established according to the elaboration of a method, based on an ontological model, which allows the determination of the more appropriate test plan considering the usage characteristics of products. In order to develop this method, the methodological approach Design Science Research (DSR) was adopted. In this way, six stages had to be covered: 1) problem identification and motivation; 2) definition of objectives and solution; 3) design and development; 4) demonstration; 5) evaluation and 6) communication of results. The final solution meets users' needs by being an efficient and easy-to-run method, as well as by enhancing products’ reliability throughout their lifecycle. This work can be applied in the process of creating several products bringing significant advantages to companies.

Este trabalho propõe um método com base no planejamento estatístico de testes de confiabilidade para proporcionar um tratamento quantitativo aos dois primeiros níveis da abordagem de padrões baseados em metas (Goal-Based Standards). O uso do método é demonstrado em dois exemplos práticos, através da sua aplicação na meta de confiabilidade dos componentes do sistema de pós-tratamento de gases de exaustão, em motores a diesel de veículos automotivos e marítimos. Os fundamentos do trabalho incluem a teoria do planejamento estatístico de testes de confiabilidade, os princípios do GBS, tipos e características de metas de confiabilidade, a ferramenta de avaliação de segurança formal (FSA), e da análise do modo e efeito da falha (FMEA). A originalidade da contribuição do trabalho está na combinação das técnicas de planejamento de testes de confiabilidade com os princípios do GBS para quantificar o nível de atendimento das metas de confiabilidade. Dessa forma, é possível ajustar o programa de testes na verificação das metas de segurança, aumentando o conhecimento sobre o desempenho do sistema. O método é de simples aplicação permitindo a sua aplicação expedita e integrada aos processos de desenvolvimento de sistemas. / This research proposes a probabilistic method based on reliability test planning in order to provide a quantitative approach to the Tier I and II of the Goal-Based Standards (GBS). The use of the method is exhibited through its application in the reliability goal of the components of the exhaust gases post-treatment system in diesel engines for automotive and marine vehicles. The fundamentals of this work includes the theory of statistical design of reliability tests, the GBS principles, a brief description of the types and characteristics of reliability goals, the tool of Formal Safety Assessment (FSA) recommended for marítima projects, and the risk qualitative methodology based on Failure Mode Effect Analysis (FMEA). This theoretical framework was applied to two practical examples, one in the automotive industry and the other in the shipbuilding sector. The originality of this research lies in the combination of the reliability test planning techniques with the principles of GBS, in order to verify, from the whole project tests planning, the reliability goals of the basic components as a fundamental step in the assessment of system safety. The testing program can be adjusted to focus on verifying the safety goals, so that the level of knowledge about the product performance before it is delivered to the client. This work also offers the benefit of providing an easy method of system safety assessment, which allows a large number of companies to use it and to integrate it into their product development process.

As companhias estão inseridas em um contexto global de preocupação sustentável, onde questões ambientais e sociais acompanham as preocupações econômicas. Faz-se necessário englobar, de alguma forma, nas análises de viabilidade econômica ou ainda em modelagens de Vida Econômica e Reposição de Ativos, variáveis que possam representar aspectos sociais e ambientais. Nesse panorama entra a norma PAS-55 - Publicly Avaiable Specification - 55, publicada pela British Standards Institution, que visa aperfeiçoar o sistema de gestão de ativos físicos de maneira a permitir maiores resultados econômicos, sociais e ambientais, provenientes da utilização dos equipamentos, nas empresas. Os procedimentos previstos na norma PAS-55 sugerem o alinhamento de conhecimentos oriundos da gestão de manutenção, que compõem o arcabouço da Engenharia de Confiabilidade, a conhecimentos de Engenharia Econômica, de maneira a compor ferramentas e métodos para tomar decisões em relação aos ativos físicos de empresas. O objetivo do presente trabalho é propor um modelo de substituição de ativos que considere variáveis de Confiabilidade e Sustentabilidade, juntamente com variáveis financeiras, por meio da Análise Envoltória de Dados. Os resultados apresentam um modelo conceitual de substituição de ativos, com inclusão de variáveis socioambientais e aplicação DEA e, também, um estudo de caso com dados reais que avalia a substituição de um equipamento pertencente a uma empresa produtora de ácido fosfórico. / Companies are placed in a global context of sustainable concern where environmental and social issues accompanying economic concerns. It is necessary to include, in some way, the economic feasibility analysis or in modeling of Economic Life and Asset Replacement, variables that may pose social and environmental aspects. In this scenario enters the PAS-55 standard - Publicly Avaiable Specification - 55, published by the British Standards Institution, which aims to improve the management system of physical assets in order to allow greater economic results, social and environmental issues arising from the use of equipment, in companies. The procedures laid down in PAS-55 standard suggests the alignment of knowledge from maintenance management, which make up the framework of Reliability Engineering, the knowledge of economic engineering in order to make tools and methods to make decisions in relation to physical assets companies. The objective of this study is to propose a model of asset replacement that considers variables Reliability and Sustainability, along with financial variables, using data envelopment analysis. The results present a conceptual model of asset replacement, with the inclusion of social and environmental variables and DEA application and also a case study with real data that assesses the replacement of equipment belonging to a producer of phosphoric acid.

This work aims to evaluate the reliability levels associated to a probabilistic approach of mechanical strength models of casing tubes on oil and gas wells. A comparative study between different reliability evaluation methods commonly applied is also carried out. On the oil and gas well design, casing tubes must bear the mechanical loadings in the subsurface, such as the ones from formations, from drilling and completion fluids, from production fluid over the well lifetime, from the self-weight of casing column and from weight of other components. Reliability-based analysis applied to a structural design allows the assessment of the probability of violation for a given limit state of the structure, so that it can be predicted with adequate value since the design stage. This kind of analysis is useful to obtain adequate safety levels in design and to discuss the quality control level in the manufacturer production process. In this work, the failure probability is evaluated by the following reliability methods: failure domain numericintegration,MonteCarlosimulationandthetransformationmethods:FirstOrder eliabilityMethod(FORM)andSecondOrderReliabilityMethod(SORM).Thelimitstatesv rified are established by using casing strength models found in the literature, based on mechanics of materials theory and rupture test data.Statistical data are based on technical reports from casing manufacturers found in open-access literature. The achieved results contributes to well casing structural assessment taking into account the influence of design uncertainties, motivating the adoption of reliability-based analysis in decision-making process on OCTG design. / FUNDEPES - Fundação Universitária de Desenvolvimento de Extensão e Pesquisa / Estetrabalho visa avaliar os níveis de confiabilidade associados a uma abordagem probabilística das resistências mecânicas de tubos de revestimento em poços de petróleo. Além disso, durante as análises realizadas, objetiva-se comparar os diferentes métodos de confiabilidade comumente encontrados na literatura com a finalidade de identificar o método mais vantajoso para a aplicação proposta. Em projetos de poços de petróleo e gás natural, os revestimentos exercem o papel de resistir mecanicamente aos esforços existentes na subsuperfície, como as solicitações impostas pela formação, pelo fluido de perfuração, pelos fluidos produzidos ao longo da vida útil do poço e pelos pesos da própria coluna de revestimento e de outros equipamentos. Já a análise de confiabilidade, aplicada a um projeto estrutural, permite a avaliação da probabilidade de violação de um determinado estado limite da estrutura, de forma que esta pode ser prevista, com valor adequado, ainda na fase de projeto.Esse tipo de análise é útil não obtenção da margem de segurança adequada do projeto e na discussão do nível de controle no processo de produção de elementos estruturais. Neste trabalho, o cálculo da probabilidade de falha é realizado através dos seguintes métodos: integração numérica sobre o domínio de falha, simulação de Monte Carlo e dos métodos de transformação: First Order Reliability Method (FORM) e Second Order Reliability Method (SORM). Os estados limites dos tubos são estimados por modelos de resistência encontrados na literatura, baseados em teorias da mecânica dos materiais e em dados de ensaios de ruptura. Os dados estatísticos utilizados são baseados em relatórios técnicos de produção disponíveis na literatura sob domínio público. Os resultados obtidos contribuem para a avaliação estrutural de revestimentos de poços de petróleo sob a influência de incertezas de projeto, motivando a incorporação da análise de confiabilidade no processo de tomada de decisão do projetista.

Dans le contexte des systèmes commandés, l’effort de recherche est principalement porté sur la reconfiguration d’une loi de commande à l’apparition d’une situation de défaut. La reconfiguration a pour objectif de pallier au défaut et donc de maintenir les performances du système. La problématique principale de nos travaux est d’étudier ces systèmes du point de vue de leur sûreté de fonctionnement en s’interrogeant sur les causes qui engendrent une situation de défaut. Pour cela, il est supposé l’existence d’une relation étroite entre la commande d’un système, sa dégradation et ses défauts. Un cadre de modélisation stochastique de la dégradation est proposé intégrant l’usage du système ainsi que les différents modes de détérioration. Le pronostic de la durée de vie résiduelle RUL de l’actionneur -élément critique de ces systèmes- est dérivé de l’ensemble des modèles. La RUL est alors utilisée comme un outil de reconfiguration de la loi LQR (Linear Quadratic Regulator) d’un système mono-actionné dans le cadre d’une maintenance prédictive. L’impact de cette nouvelle politique de maintenance sur les performances statiques et dynamiques du système est évalué. Enfin, le comportement stochastique d’un système tolérant aux fautes basé sur une redondance d’actionneurs est étudié au travers des modèles développés / In the context of control systems, the research effort is focused on how to reconfigure the control law upon the occurrence of a faulty situation. The reconfiguration procedure aims to overcome the fault and thus to maintain system performances. The main issue of this thesis is to study these systems in terms of their dependability by questioning the causes that generate a fault. Then it is assumed a close relationship between the control of a system, its degradation and its faults. A stochastic modelling framework is proposed combining the use of the system and the various modes of deterioration. The actuator is assumed to be the most critical part of a system. The prognosis of its remaining life RUL is derived from these models. This RUL is then used as a tool for reconfiguring the LQR law (Linear Quadratic Regulator) of a system with a single actuator in the context of a predictive maintenance. The impact of this new maintenance policy on static and dynamic performances is assessed. Finally the stochastic behavior of a fault tolerant control system is studied by means of the achieved models

Cette thèse est consacrée à la description, la prédiction et la prévention des défaillances de systèmes. Elle se compose de quatre parties relatives à la modélisation stochastique de dégradation, au pronostic de défaillance du système, à l'estimation du niveau de défaillance et à l'optimisation de maintenance.Le processus d'Ornstein-Uhlenbeck (OU) dépendant du temps est introduit dans un objectif de modélisation des dégradations. Sur la base de ce processus, le premier instant de passage d’un niveau de défaillance prédéfini est considéré comme l’instant de défaillance du système considéré. Différentes méthodes sont ensuite proposées pour réaliser le pronostic de défaillance. Dans la suite, le niveau de défaillance associé au processus de dégradation est estimé à partir de la distribution de durée de vie en résolvant un problème inverse de premier passage. Cette approche permet d’associer les enregistrements de défaillance et le suivi de dégradation pour améliorer la qualité du pronostic posé comme un problème de premier passage. Le pronostic de défaillances du système permet d'optimiser sa maintenance. Le cas d'un système contrôlé en permanence est considéré. La caractérisation de l’instant de premier passage permet une rationalisation de la prise de décision de maintenance préventive. L’aide à la décision se fait par la recherche d'un niveau virtuel de défaillance dont le calcul est optimisé en fonction de critères proposés / This thesis is dedicated to describe, predict and prevent system failures. It consists of four issues: i) stochastic degradation modeling, ii) prognosis of system failures, iii) failure level estimation and iv) maintenance optimization. The time-dependent Ornstein-Uhlenbeck (OU) process is introduced for degradation modeling. The time-dependent OU process is interesting from its statistical properties on controllable mean, variance and correlation. Based on such a process, the first passage time is considered as the system failure time to a pre-set failure level. Different methods are then proposed for the prognosis of system failures, which can be classified into three categories: analytical approximations, numerical algorithms and Monte-Carlo simulation methods. Moreover, the failure level is estimated from the lifetime distribution by solving inverse first passage problems. This is to make up the potential gap between failure and degradation records to reinforce the prognosis process via first passage problems. From the prognosis of system failures, the maintenance optimization for a continuously monitored system is performed. By introducing first passage problems, the arrangement of preventive maintenance is simplified. The maintenance decision rule is based on a virtual failure level, which is solution of an optimization problem for proposed objective functions

Au cours des dernières décennies, avec un fort développement de l'économie mondiale et des nouvelles technologies, la structure des systèmes industriels devient de plus en plus complexe. Elle peut être une combinaison des structures élémentaires telles que structures séries, structures parallèles, structures séries-parallèles, etc. Dans la littérature, la plupart des travaux s'intéressent à développer des stratégies de regroupement en considérant des structures séries. Cette hypothèse est parfois très pénalisée et se limite l'application de ces stratégies dans la réalité. C'est pourquoi, l'objectif principal de cette thèse est de développer des stratégies de regroupement (dynamique et stationnaire) pour la maintenance des systèmes multi-composants avec structure complexe. Ces stratégies développées se basent sur des modèles de durée de vie avec la durée de maintenance non-négligeable. De plus, les conditions dynamiques (contextes dynamiques) telles que opportunités de faire la maintenance, changements de la structure, etc. sont étudiées et intégrées dans la planification de maintenance. Les études montrent la nécessité et les difficultés de la prise en compte de la structure complexe dans les décisions de maintenance. Exemples numériques confirment les avantages de nos stratégies de maintenance en comparant avec les autres stratégies existantes dans la littérature / In the recent decades, with a strong development of the global economy and new technologies, the structure of industrial systems is more and more complex. It can be a combination of elementary structures such as series structures, parallel structures, series-parallel structures, etc. In the literature, the most work focused on developing grouping strategies by considering series structures. This assumption is sometimes much penalized and limited the application of these strategies in reality. Therefore, the main objective of this thesis is to develop dynamic and stationary grouping strategies for the maintenance of multi-component systems with complex structure. These strategies have been developed for age-based models with non-negligible maintenance durations. In addition, dynamic conditions (dynamic context) such as maintenance opportunities, changes of the structure, etc., are considered and integrated into the maintenance scheduling.Our studies show the necessity and the difficulties of taking into account of the complex structure in the maintenance decisions. Numerical examples confirm the advantages of our maintenance strategies by comparing with other existing strategies in the literature

De nos jours, les systèmes industriels sont de plus en plus complexes tant du point de vue de leur structure logique que des diverses dépendances (dépendances économique, stochastiques et structurelles) entre leurs composants qui peuvent influencer l'optimisation de la maintenance. La Maintenance conditionnelle qui permet de gérer les activités de maintenance en fonction de l’information de surveillance a fait l’objet de beaucoup d'attention au cours des dernières années, mais les dépendances stochastiques sont rarement utilisées dans le processus de prise de décision. Par conséquent, cette thèse a pour objectif de proposer des politiques de maintenance conditionnelle tenant compte des dépendances économiques et stochastiques pour les systèmes multi-composant. En termes de dépendance économique, les politiques proposées sont conçues pour permettre de favoriser les opportunités de grouper des actions de maintenance. Une règle de décision est établie qui permet le groupement de maintenances avec des périodes d'inspection différentes. La dépendance stochastique causée par une part de dégradation commune est modélisée par copules de Lévy. Des politiques de maintenance conditionnelle sont proposées pour profiter de la dépendance stochastique.Nos travaux montrent la nécessité de tenir compte des dépendances économiques et stochastiques pour la prise de décision de maintenance. Les résultats numériques confirment l’avantage de nos politiques par rapport à d’autres politiques existant dans la littérature / Nowadays, industrial systems contain numerous components so that they become more and more complex regarding the logical structures as well as the various dependences (economic, stochastic and structural dependences) between components. The dependences between components have an impact on the maintenance optimization as well as the reliability analysis. Condition-based maintenance which enables to manage maintenance activities based on information collected through monitoring has gained a lot of attention over recent years but stochastic dependences are rarely used in the decision making process. Therefore, this thesis is devoted to propose condition-based maintenance policies which take advantage of both economic and stochastic dependences for multi-component systems. In terms of economic dependence, the proposed maintenance policies are designed to be maximally effective in providing opportunities for maintenance grouping. A decision rule is established to permit the maintenance grouping with different inspection periods. Stochastic dependence due to a common degradation part is modelled by Lévy and Nested Lévy copulas. Condition-based maintenance policies with non-periodic inspection scheme are proposed to make use of stochastic dependence. Our studies show the necessity of taking account of both economic and stochastic dependences in the maintenance decisions. Numerical experiments confirm the advantages of our maintenance policies when compared with other existing policies in the literature