<p>In this thesis, we extend the Ai-Zhang direction to the class of semidefinite optimization problems. We define a new wide neighborhood N(τ1 ,τ2 ,η) and, as usual, we utilize symmetric directions by scaling the Newton equation with special matrices. After defining the "positive part" and the "negative part" of a symmetric matrix, we solve the Newton equation with its right hand side replaced first by its positive part and then by its negative part, respectively. In this way, we obtain a decomposition of the usual Newton direction and use different step lengths for each of them.</p><p>Starting with a feasible point (X^0 , y^0 , S^0) in N(τ1, τ2 , η ), the algorithm terminates in at most 0(η√( κ∞n)log(1/ε) iterations, where κ∞ is a parameter associated with the scaling matrix and ε is the required precision. To our best knowledge, when the parameter η is a constant, this is the first large neighborhood path-following Interior Point Method (IPM) with the same complexity as small neighborhood path-following IPMs for semidefinite optimization that use the Nesterov-Todd direction. In the case when η is chosen to be in the order of √η, our complexity bound coincides with the known bound for classical large neighborhood IPMs.</p><p>To make this thesis more accessible to readers who are new in this area, we start with a brief introduction to IPMs and SDO. The basic concepts and principles of IPMs and SDO are presented in Chapter 2 and 3.</p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Multivariate adaptive regression spline (MARS) denotes a modern methodology from statistical learning which is very important in both classification and regression, with an increasing number of applications in many areas of science, economy and technology. MARS is very useful for high dimensional problems and shows a great promise for fitting nonlinear multivariate functions. MARS technique does not impose any particular class of relationship between the predictor variables and outcome variable of interest. In other words, a special advantage of MARS lies in its ability to estimate the contribution of the basis functions so that both the additive and interaction effects of the predictors are allowed to determine the response variable. The function fitted by MARS is continuous, whereas the one fitted by classical classification methods (CART) is not. Herewith, MARS becomes an alternative to CART. The MARS algorithm for estimating the model function consists of two complementary algorithms: the forward and backward stepwise algorithms. In the first step, the model is built by adding basis functions until a maximum level of complexity is reached. On the other hand, the backward stepwise algorithm is began by removing the least significant basis functions from the model. In this study, we propose not to use the backward stepwise algorithm. Instead, we construct a penalized residual sum of squares (PRSS) for MARS as a Tikhonov regularization problem, which is also known as ridge regression. We treat this problem using continuous optimization techniques which we consider to become an important complementary technology and alternative to the concept of the backward stepwise algorithm. In particular, we apply the elegant framework of conic quadratic programming which is an area of convex optimization that is very well-structured, herewith, resembling linear programming and, hence, permitting the use of interior point methods. The boundaries of this optimization problem are determined by the multiobjective optimization approach which provides us many alternative solutions. Based on these theoretical and algorithmical studies, this MSc thesis work also contains applications on the data investigated in a T&Uuml / BiTAK project on quality control. By these applications, MARS and our new method are compared.

This study had a twofold purpose. First, the usefulness of the simplex algorithm as a short method of optimization in high performance liquid chromatographic separations was investigated. The second was to test a modified simplex method. The volume fractions of mobile phase components were chosen as the variable factors in the optimization process. Four test cases were performed which included separation of cholesterol esters, naphthalene and its derivatives, polycyclic aromatic compounds, and the thiane compounds. The standard for accepting an optimum was based on the baseline separation of two adjacent peaks and the analysis time. In addition to successful separations, the correlation between the separation and the chemical characteristics of mobile phase compositions was calculated and this could then be used for further modification of simplex search strategy.

This study concerns with the automated structural optimization of an excavator boom. The need for this work arises due to the fact that the preparation of the CAD model, performing finite element analysis and model data evaluation are time consuming processes and require experienced man power. The previously developed software OptiBOOM, which generates a CAD model using a finite set of parameters and then performs a finite element analysis by using a commercial program has been modified. The model parameter generation, model creation, analysis data collection and data evaluation phases are done by the Python and Delphi based computer codes. A global heuristic search strategy such as genetic algorithm is chosen to search different boom models and select an optimum.

Thesis (Ph. D.)--Industrial and Systems Engineering, Georgia Institute of Technology, 2006. / Parker, R. Gary, Committee Member ; Shapiro, Alexander, Committee Member ; Nemirovski, Arkadi, Committee Member ; Green, William, Committee Member ; Monteiro, Renato, Committee Chair.

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Materiais piezelétricos geram deslocamentos ao serem excitados com potencial elétrico, bem como potencial elétrico ao serem submetidos a força ou pressão. Eles são amplamente utilizados em aplicações relacionadas principalmente com a área de Mecânica de Precisão, Mecatrônica e aquisição de imagens por Ultra-Som. Por outro lado, os Materiais com Gradação Funcional (MGF) são materiais avançados compostos, os quais são projetados de forma que sua composição varie gradualmente numa direção espacial. Esses materiais combinam as vantagens de certas características de cada fase constitutiva; por exemplo, alta resistência à temperatura dos materiais cerâmicos com alta resistência mecânica dos metais. Vários trabalhos têm mostrado as vantagens de aplicar o conceito MGF ao projeto de transdutores piezelétricos. Entre essas vantagens podem-se mencionar: (i) atuadores flextensionais ou bilaminares sem interface entre materiais (ex: PZT e Alumínio); (ii) suavização da distribuição de tensões mecânicas; e (iii) aumento da largura de banda e redução das ondas refletidas em transdutores de ultra-som, principalmente. No entanto, na mesma literatura se observa uma carência de métodos computacionais para a sua modelagem e o seu projeto otimizado e sistemático. Baseado nessas idéias, esta tese propõe a formulação e desenvolvimento de modelos analíticos, algoritmos de elementos finitos, e algoritmos de otimização topológica para projetar Transdutores Piezelétricos com Gradação Funcional (TPGF) inovadores. Adicionalmente, amostras de TPGFs são fabricadas mediante Spark Plasma Sintering SPS, sendo estudado o seu comportamento dinâmico e as suas características micro-estruturais. Assim, através de modelagem, análise, simulação, projeto otimizado, fabricação e caracterização explora-se a potencialidade do conceito de MGF em TPGFs; em particular, evidenciam-se as melhoras que os TPGF podem trazer em aplicações de ensaios não-destrutivos e aquisição de imagens médicas por ultra-som, e no aumento da vida útil de transdutores piezelétricos flextensionais. / Piezoelectric materials generate displacements when they are excited by electrical potential and electrical potential when they are excited by force or pressure. These materials are widely applied in Precision Mechanics, Mechatronics, and Ultrasonic imaging areas. On the other hand, Functionally Graded Materials (FGM) are advanced materials, whose properties change continuously in a specified direction. These materials combine desirable features of their constituent phases; for instance, high temperature resistance typical of ceramics with mechanical strength of metals. Several works have shown the advantages of applying FGM concept to piezoelectric transducer design. These advantages are; for example: (i) flextensional actuators without interfaces (e.g. PZT and Aluminum); (ii) smoothing mechanical stresses; and (iii) increasing bandwidth and reducing reflected waves in ultrasonic transducers. However, in the literature, a lack of computational methods for modeling and systematic designing of Functionally Graded Piezoelectric Transducers (FGPT) is observed. According to above ideas, this work proposes the formulation and development of analytical models, finite element algorithms, and topology optimization algorithms to design novel Functionally Graded Piezoelectric Transducers (FGPT). In addition, FGPT samples are manufactured by using Spark Plasma Sintering SPS, where it is studied their dynamic behavior and their microstructural characteristics. Hence, by performing analysis, optimal designing, manufacturing and characterization, the FGM concept potential is explored for FGPTs; particularly, FGPTs can bring advantages in ultrasonic non-destructive testing and ultrasonic medical imaging, and increasing life-time of flextensional piezoelectric transducers.

Materiais piezelétricos geram deslocamentos ao serem excitados com potencial elétrico, bem como potencial elétrico ao serem submetidos a força ou pressão. Eles são amplamente utilizados em aplicações relacionadas principalmente com a área de Mecânica de Precisão, Mecatrônica e aquisição de imagens por Ultra-Som. Por outro lado, os Materiais com Gradação Funcional (MGF) são materiais avançados compostos, os quais são projetados de forma que sua composição varie gradualmente numa direção espacial. Esses materiais combinam as vantagens de certas características de cada fase constitutiva; por exemplo, alta resistência à temperatura dos materiais cerâmicos com alta resistência mecânica dos metais. Vários trabalhos têm mostrado as vantagens de aplicar o conceito MGF ao projeto de transdutores piezelétricos. Entre essas vantagens podem-se mencionar: (i) atuadores flextensionais ou bilaminares sem interface entre materiais (ex: PZT e Alumínio); (ii) suavização da distribuição de tensões mecânicas; e (iii) aumento da largura de banda e redução das ondas refletidas em transdutores de ultra-som, principalmente. No entanto, na mesma literatura se observa uma carência de métodos computacionais para a sua modelagem e o seu projeto otimizado e sistemático. Baseado nessas idéias, esta tese propõe a formulação e desenvolvimento de modelos analíticos, algoritmos de elementos finitos, e algoritmos de otimização topológica para projetar Transdutores Piezelétricos com Gradação Funcional (TPGF) inovadores. Adicionalmente, amostras de TPGFs são fabricadas mediante Spark Plasma Sintering SPS, sendo estudado o seu comportamento dinâmico e as suas características micro-estruturais. Assim, através de modelagem, análise, simulação, projeto otimizado, fabricação e caracterização explora-se a potencialidade do conceito de MGF em TPGFs; em particular, evidenciam-se as melhoras que os TPGF podem trazer em aplicações de ensaios não-destrutivos e aquisição de imagens médicas por ultra-som, e no aumento da vida útil de transdutores piezelétricos flextensionais. / Piezoelectric materials generate displacements when they are excited by electrical potential and electrical potential when they are excited by force or pressure. These materials are widely applied in Precision Mechanics, Mechatronics, and Ultrasonic imaging areas. On the other hand, Functionally Graded Materials (FGM) are advanced materials, whose properties change continuously in a specified direction. These materials combine desirable features of their constituent phases; for instance, high temperature resistance typical of ceramics with mechanical strength of metals. Several works have shown the advantages of applying FGM concept to piezoelectric transducer design. These advantages are; for example: (i) flextensional actuators without interfaces (e.g. PZT and Aluminum); (ii) smoothing mechanical stresses; and (iii) increasing bandwidth and reducing reflected waves in ultrasonic transducers. However, in the literature, a lack of computational methods for modeling and systematic designing of Functionally Graded Piezoelectric Transducers (FGPT) is observed. According to above ideas, this work proposes the formulation and development of analytical models, finite element algorithms, and topology optimization algorithms to design novel Functionally Graded Piezoelectric Transducers (FGPT). In addition, FGPT samples are manufactured by using Spark Plasma Sintering SPS, where it is studied their dynamic behavior and their microstructural characteristics. Hence, by performing analysis, optimal designing, manufacturing and characterization, the FGM concept potential is explored for FGPTs; particularly, FGPTs can bring advantages in ultrasonic non-destructive testing and ultrasonic medical imaging, and increasing life-time of flextensional piezoelectric transducers.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Sistemas estruturais em suas variadas aplicações incluindo-se veículos espaciais, automóveis e estruturas de engenharia civil tais como prédios, pontes e plataformas off-shore, acumulam dano durante suas vidas úteis. Em muitas situações, tal dano pode não ser visualmente observado. Do ponto de vista da segurança e da performance da estrutura, é desejável monitorar esta possível ocorrência, localizá-la e quantificá-la. Métodos de identificação de sistemas, que em geral, são classificados numa categoria de Técnicas de Avaliação Não-Destrutivas, podem ser utilizados para esta finalidade. Usando dados experimentais tais como frequências naturais, modos de vibração e deslocamentos estáticos, e um modelo analítico estrutural, parâmetros da estrutura podem ser identificados. As propriedades estruturais do modelo analítico são modificadas de modo a minimizar a diferença entre os dados obtidos por aquele modelo e a resposta medida. Isto pode ser definido como um problema inverso onde os parâmetros da estrutura são identificados. O problema inverso, descrito acima, foi resolvido usando métodos globais de otimização devido à provável presença de inúmeros mínimos locais e a não convexidade do espaço de projeto. Neste trabalho o método da Evolução Diferencial (Differential Evolution, DE) foi utilizado como ferramenta principal de otimização. Trata-se de uma meta-heurística inspirada numa população de soluções sucessivamente atualizada por operações aritméticas como mutações, recombinações e critérios de seleção dos melhores indivíduos até que um critério de convergência seja alcançado. O método da Evolução Diferencial foi desenvolvido como uma heurística para minimizar funções não diferenciáveis e foi aplicado a estruturas planas de treliças com diferentes níveis de danos. / Structural systems in a variety of applications including aerospace vehicles, automobiles and civil engineering structures such as tall buildings, bridges and offshore platforms, accumulate damage during their service life. In several situations, such damage may not be visually observable. From the standpoint of both safety and performance, it is desirable to monitor the occurrence, location and extent of such damage.System identification methods, which may be classified in a general category of nondestructive evaluation techniques, can be employed for this purpose. Using experimental data, such as eigenmodes, eigenvectors and static displacements, and an analytical structural model, parameters of the structures can be identified. The approach used in the present work is one where the structural properties of the analytical model are varied to minimize the difference between the analytically predicted and empirically measured response. This is an inverse problem where the structural parameters are identified. In this work a reduced number of vibration modes were used as the measured response. For the damage assessment problem a close analytical model of the structural system is available and the model of the damaged structure will be identified. Damage will be represented by a reduction in the elastic stiffness properties of the structure.The problem described above was solved using global methods of optimization due to the fact that depending on the number of variables or the location of damage the resulting design space is nonconvex presenting several local minima. In the present work, the Differential Evolution Optimization Technique (DE) was used. It is a metaheuristic inspired by a population of solutions that is successively updated by arithmetic operations such as mutation and recombination, until convergence. The approach was applied to simple truss structures with different levels of damage.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Sistemas estruturais em suas variadas aplicações incluindo-se veículos espaciais, automóveis e estruturas de engenharia civil tais como prédios, pontes e plataformas off-shore, acumulam dano durante suas vidas úteis. Em muitas situações, tal dano pode não ser visualmente observado. Do ponto de vista da segurança e da performance da estrutura, é desejável monitorar esta possível ocorrência, localizá-la e quantificá-la. Métodos de identificação de sistemas, que em geral, são classificados numa categoria de Técnicas de Avaliação Não-Destrutivas, podem ser utilizados para esta finalidade. Usando dados experimentais tais como frequências naturais, modos de vibração e deslocamentos estáticos, e um modelo analítico estrutural, parâmetros da estrutura podem ser identificados. As propriedades estruturais do modelo analítico são modificadas de modo a minimizar a diferença entre os dados obtidos por aquele modelo e a resposta medida. Isto pode ser definido como um problema inverso onde os parâmetros da estrutura são identificados. O problema inverso, descrito acima, foi resolvido usando métodos globais de otimização devido à provável presença de inúmeros mínimos locais e a não convexidade do espaço de projeto. Neste trabalho o método da Evolução Diferencial (Differential Evolution, DE) foi utilizado como ferramenta principal de otimização. Trata-se de uma meta-heurística inspirada numa população de soluções sucessivamente atualizada por operações aritméticas como mutações, recombinações e critérios de seleção dos melhores indivíduos até que um critério de convergência seja alcançado. O método da Evolução Diferencial foi desenvolvido como uma heurística para minimizar funções não diferenciáveis e foi aplicado a estruturas planas de treliças com diferentes níveis de danos. / Structural systems in a variety of applications including aerospace vehicles, automobiles and civil engineering structures such as tall buildings, bridges and offshore platforms, accumulate damage during their service life. In several situations, such damage may not be visually observable. From the standpoint of both safety and performance, it is desirable to monitor the occurrence, location and extent of such damage.System identification methods, which may be classified in a general category of nondestructive evaluation techniques, can be employed for this purpose. Using experimental data, such as eigenmodes, eigenvectors and static displacements, and an analytical structural model, parameters of the structures can be identified. The approach used in the present work is one where the structural properties of the analytical model are varied to minimize the difference between the analytically predicted and empirically measured response. This is an inverse problem where the structural parameters are identified. In this work a reduced number of vibration modes were used as the measured response. For the damage assessment problem a close analytical model of the structural system is available and the model of the damaged structure will be identified. Damage will be represented by a reduction in the elastic stiffness properties of the structure.The problem described above was solved using global methods of optimization due to the fact that depending on the number of variables or the location of damage the resulting design space is nonconvex presenting several local minima. In the present work, the Differential Evolution Optimization Technique (DE) was used. It is a metaheuristic inspired by a population of solutions that is successively updated by arithmetic operations such as mutation and recombination, until convergence. The approach was applied to simple truss structures with different levels of damage.