The nano-age has already begun, where typical feature dimensions are smaller than 100nm. The operating frequency is expected to increase up to 12 GHz, and a single chip will contain over 12 billion transistors in 2020, as given by the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) initiative. ITRS also predicts that the scaling of CMOS devices and process technology, as it is known today, will become much more difficult as the industry advances towards the 16nm technology node and further. This aggressive scaling of CMOS technology has pushed the devices to their physical limits. Design goals are governed by several factors other than power, performance and area such as process variations, radiation induced soft errors, and aging degradation mechanisms. These new design challenges have a strong impact on the parametric yield of nanometer digital circuits and also result in functional yield losses in variation-sensitive digital circuits such as Static Random Access Memory (SRAM) and flip-flops. Moreover, sub-threshold SRAM and flip-flops circuits, which are aggravated by the strong demand for lower power consumption, show larger sensitivity to these challenges which reduces their robustness and yield. Accordingly, it is not surprising that the ITRS considers variability and reliability as the most challenging obstacles for nanometer digital circuits robust design. Soft errors are considered one of the main reliability and robustness concerns in SRAM arrays in sub-100nm technologies due to low operating voltage, small node capacitance, and high packing density. The SRAM arrays soft errors immunity is also affected by process variations. We develop statistical design-oriented soft errors immunity variations models for super-threshold and sub-threshold SRAM cells accounting for die-to-die variations and within-die variations. This work provides new design insights and highlights the important design knobs that can be used to reduce the SRAM cells soft errors immunity variations. The developed models are scalable, bias dependent, and only require the knowledge of easily measurable parameters. This makes them useful in early design exploration, circuit optimization as well as technology prediction. The derived models are verified using Monte Carlo SPICE simulations, referring to an industrial hardware-calibrated 65nm CMOS technology. The demand for higher performance leads to very deep pipelining which means that hundreds of thousands of flip-flops are required to control the data flow under strict timing constraints. A violation of the timing constraints at a flip-flop can result in latching incorrect data causing the overall system to malfunction. In addition, the flip-flops power dissipation represents a considerable fraction of the total power dissipation. Sub-threshold flip-flops are considered the most energy efficient solution for low power applications in which, performance is of secondary importance. Accordingly, statistical gate sizing is conducted to different flip-flops topologies for timing yield improvement of super-threshold flip-flops and power yield improvement of sub-threshold flip-flops. Following that, a comparative analysis between these flip-flops topologies considering the required overhead for yield improvement is performed. This comparative analysis provides useful recommendations that help flip-flops designers on selecting the best flip-flops topology that satisfies their system specifications while taking the process variations impact and robustness requirements into account. Adaptive Body Bias (ABB) allows the tuning of the transistor threshold voltage, Vt, by controlling the transistor body voltage. A forward body bias reduces Vt, increasing the device speed at the expense of increased leakage power. Alternatively, a reverse body bias increases Vt, reducing the leakage power but slowing the device. Therefore, the impact of process variations is mitigated by speeding up slow and less leaky devices or slowing down devices that are fast and highly leaky. Practically, the implementation of the ABB is desirable to bias each device in a design independently, to mitigate within-die variations. However, supplying so many separate voltages inside a die results in a large area overhead. On the other hand, using the same body bias for all devices on the same die limits its capability to compensate for within-die variations. Thus, the granularity level of the ABB scheme is a trade-off between the within-die variations compensation capability and the associated area overhead. This work introduces new ABB circuits that exhibit lower area overhead by a factor of 143X than that of previous ABB circuits. In addition, these ABB circuits are resolution free since no digital-to-analog converters or analog-to-digital converters are required on their implementations. These ABB circuits are adopted to high performance critical paths, emulating a real microprocessor architecture, for process variations compensation and also adopted to SRAM arrays, for Negative Bias Temperature Instability (NBTI) aging and process variations compensation. The effectiveness of the new ABB circuits is verified by post layout simulation results and test chip measurements using triple-well 65nm CMOS technology. The highly capacitive nodes of wide fan-in dynamic circuits and SRAM bitlines limit the performance of these circuits. In addition, process variations mitigation by statistical gate sizing increases this capacitance further and fails in achieving the target yield improvement. We propose new negative capacitance circuits that reduce the overall parasitic capacitance of these highly capacitive nodes. These negative capacitance circuits are adopted to wide fan-in dynamic circuits for timing yield improvement up to 99.87% and to SRAM arrays for read access yield improvement up to 100%. The area and power overheads of these new negative capacitance circuits are amortized over the large die area of the microprocessor and the SRAM array. The effectiveness of the new negative capacitance circuits is verified by post layout simulation results and test chip measurements using 65nm CMOS technology.

Systems are becoming more complicated, complex, and interrelated. Designers have recognized the need to develop systems from a holistic perspective and design them as Systems-of-Systems (SoS). The design of the SoS, especially in the conceptual design phase, is generally characterized by significant uncertainty. As a result, it is possible for all three types of uncertainty (aleatory, epistemic, and error) and the associated factors of uncertainty (randomness, sampling, confusion, conflict, inaccuracy, ambiguity, vagueness, coarseness, and simplification) to affect the design process. While there are a number of existing SoS design methods, several gaps have been identified: the ability to modeling all of the factors of uncertainty at varying levels of knowledge; the ability to consider both the pernicious and propitious aspects of uncertainty; and, the ability to determine the value of reducing the uncertainty in the design process. While there are numerous uncertainty modeling theories, no one theory can effectively model every kind of uncertainty. This research presents a Hybrid Uncertainty Modeling Method (HUMM) that integrates techniques from the following theories: Probability Theory, Evidence Theory, Fuzzy Set Theory, and Info-Gap theory. The HUMM is capable of modeling all of the different factors of uncertainty and can model the uncertainty for multiple levels of knowledge. In the design process, there are both pernicious and propitious characteristics associated with the uncertainty. Existing design methods typically focus on developing robust designs that are insensitive to the associated uncertainty. These methods do not capitalize on the possibility of maximizing the potential benefit associated with the uncertainty. This research demonstrates how these deficiencies can be overcome by identifying the most robust and opportunistic design. In a design process it is possible that the most robust and opportunistic design will not be selected from the set of potential design alternatives due to the related uncertainty. This research presents a process called the Value of Reducing Uncertainty Method (VRUM) that can determine the value associated with reducing the uncertainty in the design problem before a final decision is made by utilizing two concepts: the Expected Value of Reducing Uncertainty (EVRU) and the Expected Cost to Reducing Uncertainty (ECRU).

An efficient numerical analysis method for wavelength-scale and sub-wavelength-scale photonic structures is developed. It is applied to metal-clad nano-lasers and photonic crystal-based DBRs to calculate intrinsic losses (from open boundaries), and to photonic crystal-based waveguides to calculate intrinsic and extrinsic losses (due to fabrication errors). Our results show that a metal-clad surface plasmon-based laser in a cylindrical configuration requires more gain to lase than is available from a semiconductor gain region. However, the lowest order TE and HE guided modes exhibit less loss than the other modes, and hold the most promise for lasing. For photonic crystal-based structures, our matrix-free implementation of the planewave expansion method for calculating layer modes combined with mode-matching between layers using a few lower order modes is shown to be a computationally efficient and reliable method. This method is then used to introduce robust design concepts for designing photonic crystal-based structures in the presence of fabrication uncertainties. Accounting for fabrication uncertainties is shown to be particularly important in the regions of the device where the light exhibits very low group velocity (`slow light'). Finally, the modal discrimination properties of photonic crystal-based DBRs (Distributed Bragg Reflectors) are compared with the properties of conventional oxide-DBR combinations to analyze the contribution of out-of-plane diffraction losses to modal discrimination.

The objective of the current study is the development of an optimization methodology for the energy efficiency of the cold roll forming process. Towards that target, a hybrid modeling approach, utilizing analytical and computational models, is proposed and developed. The energy efficiency indicator for the cold roll forming process is defined, as taking into account the cold roll forming process as a system with energy inputs and outputs. An analytical model was proposed and analyzed for the calculation of such energy efficiency indicator. Internal deformation work for longitudinal and bending strains and pulling frictional work were taking into account. Validation of the analytical model with experimental data and a sensitivity analysis for cold roll forming process variables are then presented. Furthermore a computational model for the cold roll forming process was proposed and analyzed. Simulation methods and modeling approach are analyzed for both forming and springback analysis. The computational model sections and variables are analyzed and results for longitudinal strains are validated with experimental data. The aforementioned modeling approaches were integrated within an optimization methodology, which consist of a robust design algorithm and a closed loop checking for quality constraints. A robust design algorithm implementation was proposed utilizing the analytical model, as taking into account the uncertainty of noise factors within computer experiments. Closed loop checking of quality constraints is implemented using computational model and specified process guidelines. The main outcome of this work is the complete method that was proposed and realized through analytical and computational models. The evaluation of the case study revealed the efficiency and practicality of the suggested approach towards energy efficiency optimization of the cold roll forming process. / Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας βελτιστοποίησης της ενεργειακής αποδοτικότητας της διεργασίας διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους. Προς αυτόν τον στόχο, μια υβριδική προσέγγιση μοντελοποίησης, χρησιμοποιώντας αναλυτικό και υπολογιστικό μοντέλο, προτείνεται και αναπτύσσεται. Ο δείκτης ενεργειακής αποδοτικότητας για την διεργασία διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους ορίζεται, λαμβάνοντας υπόψη τη διεργασία ως ένα σύστημα με ενεργειακές εισροές και εκροές. Ένα αναλυτικό μοντέλο προτείνεται και αναλύεται για τον υπολογισμό του δείκτη ενεργειακής αποδοτικότητας. Υπολογίζονται το εσωτερικό έργο παραμόρφωσης για διαμήκεις και κάμψης παραμορφώσεις, και έργο τριβής μέσω έλξης του υλικού. Το αναλυτικό μοντέλο επαληθεύεται με πειραματικές παρατηρήσεις και στην συνέχεια πραγματοποιείται μία ανάλυση ευαισθησίας για της μεταβλητές της διεργασίας διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους. Επιπροσθέτως, ένα υπολογιστικό μοντέλο για την διεργασία διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους προτείνεται και αναλύεται. Οι μέθοδοι προσομοίωσης και η προσέγγιση μοντελοποίησης αναλύονται για τις αναλύσεις διαμόρφωσης και επαναφοράς. Τα τμήματα του υπολογιστικού μοντέλου και οι μεταβλητές του αναλύονται καθώς και τα αποτελέσματα για τις διαμήκεις παραμορφώσεις επαληθεύονται με πειραματικά δεδομένα. Οι εν λόγω προσεγγίσεις μοντελοποίησης ενσωματώνονται σε μία μεθοδολογία βελτιστοποίησης, η οποία αποτελείται από έναν αλγόριθμο εύρωστου σχεδιασμού και έναν κλειστό βρόγχο για τον έλεγχο των ποιοτικών περιορισμών. Η υλοποίηση του αλγόριθμου εύρωστου σχεδιασμού προτείνεται με χρήση του αναλυτικού μοντέλου, παίρνοντας υπόψη την αβεβαιότητα των μεταβλητών θορύβου σε πειράματα με Η/Υ. Ο κλειστός βρόγχος για τον έλεγχο των ποιοτικών περιορισμών χρησιμοποιεί το υπολογιστικό μοντέλο και συγκεκριμένες οδηγίες διεργασίας. Το κύριο αποτέλεσμα αυτής της εργασίας είναι η πλήρης μεθοδολογία που προτείνεται και πραγματοποιείται μέσω αναλυτικού και υπολογιστικού μοντέλων. Η αξιολόγηση της εφαρμογής της μεθοδολογίας σε βιομηχανικό προϊόν αποκάλυψε την αποτελεσματικότητα και την πρακτικότητα της προτεινόμενης προσέγγισης για την βελτιστοποίηση της ενεργειακής αποδοτικότητας της διεργασίας διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους.

Dans cette Thèse, la conception robuste avec un modèle incertain d'un système électromécanique avec vibro-impact est fait. Le système électromécanique est constitué d'un chariot, dont le mouvement est excité par un moteur à courant continu et un marteau embarqué dans ce chariot. Le marteau est relié au chariot par un ressort non linéaire et par un amortisseur linéaire, de façon qu'un mouvement relatif existe entre eux. Une barrière flexible linéaire, placé à l'extérieur du chariot limite les mouvements de marteau. En raison du mouvement relatif entre le marteau et la barrière, impacts peuvent se produire entre ces deux éléments. Le modèle du système développé prend en compte l'influence du courant continu moteur dans le comportement dynamique du système. Certains paramètres du système sont incertains, tels comme les coefficients de rigidité et d'amortissement de la barrière flexible. L'objectif de la Thèse est de réaliser une optimisation de ce système électromécanique par rapport aux paramètres de conception afin de maximiser l'impact puissance sous la contrainte que la puissance électrique consommée par le moteur à courant continu est inférieure à une valeur maximale. Pour choisir les paramètres de conception dans le problème d'optimisation, une analyse de sensibilité a été réalisée afin de définir les paramètres du système les plus sensibles. L'optimisation est formulée dans le cadre de la conception robuste en raison de la présence d'incertitudes dans le modèle. Les lois de probabilités liées aux variables aléatoires du problème sont construites en utilisant le Principe du Maximum l'Entropie et les statistiques de la réponse stochastique du système sont calculées en utilisant la méthode de Monte Carlo. L'ensemble d'équations non linéaires sont présentés, et un solveur temporel adapté est développé. Le problème d'optimisation non linéaire stochastique est résolu pour différents niveaux d'incertitudes, et aussi pour le cas déterministe. Les résultats sont différents, ce qui montre l'importance de la modélisation stochastique / In this Thesis, the robust design with an uncertain model of a vibro-impact electromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, an sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:33:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GuilhermeSTL_DISSERT.pdf: 1475192 bytes, checksum: e65beea4cb536812b8ea5ab3d2ea3fcb (MD5) Previous issue date: 2013-02-26 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / A sobreviv?ncia de adultos ? um par?metro chave nos estudos de hist?ria natural e de demografia das aves, no entanto, apenas ~ 4% das esp?cies de aves neotropicais residentes t?m suas taxas de sobreviv?ncia estimadas. Al?m disso, pouco se conhece da influ?ncia de fatores ambientais e sazonais sobre este par?metro. Os objetivos deste estudo foram estimar taxas de sobreviv?ncia de adultos, e o tamanho populacional de Elaenia cristata (Aves: Tyrannidae), bem como poss?veis varia??es em curto prazo nesses par?metros. Durante dois anos, capturamos, marcamos e recapturamos 43 indiv?duos adultos em um fragmento de mata de restinga em Parnamirim, RN. Com aux?lio do programa MARK, utilizamos os modelos de Desenho Robusto para estimar os par?metros de interesse. Geramos modelos testando a influ?ncia das seguintes covari?veis sobre a sobreviv?ncia: tempo, ciclo reprodutivo e pluviosidade entre se??es de captura. As estimativas populacionais foram geradas apenas em fun??o do tempo. De acordo com o melhor modelo, a sobreviv?ncia aparente permaneceu constante ao longo do estudo e o tamanho populacional variou entre as se??es. A sobreviv?ncia intra-anual foi estimada em 0,94 ? 0,03, que corresponde a uma probabilidade de sobreviv?ncia anual de 78%. As estimativas populacionais variaram de 24 ? 1,87 indiv?duos em novembro/2010, a 15 ? 1,89 em fevereiro/2011. Nossa estimativa de sobreviv?ncia anual para E. cristata est? entre as maiores registradas dentre aves tropicais, e contribui com a observa??o geral de que a sobreviv?ncia anual ? maior nos tr?picos que no hemisf?rio Norte. Apesar de associadas a grandes intervalos de confian?a, as estimativas populacionais apresentaram diferentes tend?ncias entre 2011 e 2012. Acreditamos que os baixos n?veis de precipita??o no in?cio de 2012, aliados ? presen?a em grande abund?ncia da esp?cie migrante Elaenia chilensis, tenham diminu?do a oferta de recursos e aumentado a competi??o interespec?fica, provocando uma dispers?o de adultos da ?rea de estudo

Dans cette Thèse, la conception robuste avec un modèle incertain d'un système électromécanique avec vibro-impact est fait. Le système électromécanique est constitué d'un chariot, dont le mouvement est excité par un moteur à courant continu et un marteau embarqué dans ce chariot. Le marteau est relié au chariot par un ressort non linéaire et par un amortisseur linéaire, de façon qu'un mouvement relatif existe entre eux. Une barrière flexible linéaire, placé à l'extérieur du chariot limite les mouvements de marteau. En raison du mouvement relatif entre le marteau et la barrière, impacts peuvent se produire entre ces deux éléments. Le modèle du système développé prend en compte l'influence du courant continu moteur dans le comportement dynamique du système. Certains paramètres du système sont incertains, tels comme les coefficients de rigidité et d'amortissement de la barrière flexible. L'objectif de la Thèse est de réaliser une optimisation de ce système électromécanique par rapport aux paramètres de conception afin de maximiser l'impact puissance sous la contrainte que la puissance électrique consommée par le moteur à courant continu est inférieure à une valeur maximale. Pour choisir les paramètres de conception dans le problème d'optimisation, une analyse de sensibilité a été réalisée afin de définir les paramètres du système les plus sensibles. L'optimisation est formulée dans le cadre de la conception robuste en raison de la présence d'incertitudes dans le modèle. Les lois de probabilités liées aux variables aléatoires du problème sont construites en utilisant le Principe du Maximum l'Entropie et les statistiques de la réponse stochastique du système sont calculées en utilisant la méthode de Monte Carlo. L'ensemble d'équations non linéaires sont présentés, et un solveur temporel adapté est développé. Le problème d'optimisation non linéaire stochastique est résolu pour différents niveaux d'incertitudes, et aussi pour le cas déterministe. Les résultats sont différents, ce qui montre l'importance de la modélisation stochastique / In this Thesis, the robust design with an uncertain model of a vibro-impact electromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, an sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling

Afin de déterminer le plus tôt possible dans le processus de conception, les solutions les pluspertinentes, la prise de décisions robuste apparait comme fondamentale pour garantir lesmeilleurs choix. A partir de solutions conceptuelles, l’étape de conception architecturale, ditede pré-dimensionnement, vise à déterminer les principales grandeurs dimensionnantes etpilotantes du système à concevoir, tout en satisfaisant l’ensemble des exigences du cahier descharges. La continuité du processus de conception entre les phases préliminaires et détailléesdépend alors de l’efficacité de la phase de conception architecturale à fournir des solutionsavec un comportement physique validé et une architecture fonctionnelle optimisée. Lesactivités de pré-dimensionnement sont donc fortement tournées vers l’optimisationnumérique. L’utilisation de ces techniques requiert une modélisation précise du problème deconception architecturale. En particulier, l’exploration de vastes espaces de conception, lareprésentation et l’évaluation de solutions candidates, ainsi que la formulation a priori despréférences sont des enjeux majeurs.Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent le développement deméthodologies et la proposition d’outils pour l’aide à la décision en conception architecturaledes produits et des machines. Plus précisément, l’ensemble de ces travaux vise à fournir auxconcepteurs une démarche adaptée pour structurer et formuler des fonctions objectifs lorsquel’activité de conception est abordée par l’optimisation. Notre approche consiste à relier par lamodélisation de préférences, le comportement physique du système à concevoir avec lescritères et les objectifs de conception, selon des étapes d’observation, d’interprétation etd’agrégation. A partir du concept de désirabilité, cette méthode de modélisation est utiliséepour formuler les objectifs de conceptions et pour quantifier le niveau de satisfaction globalatteint par les solutions candidates. Cette approche est utilisée pour aborder les problèmes deconception robuste où les objectifs de performance et de sensibilité sont mis en balance. Danscette perspective, des mesures de dispersion des performances, ainsi qu’une fonction decompromis spécifique au problème de conception robuste en ingénierie, sont proposés.Enfin, l’application de ces méthodes et outils est illustrée au travers du prédimensionnementd’un évaporateur flash bi-étagé, utilisé pour le traitement des moûts dansl’industrie viticole. L’objectif est alors de trouver des solutions de conception robustes, c'està-dire, des architectures présentant à la fois un niveau de performance globale satisfaisant,incluant la qualité du produit, la transportabilité de la machine ou les coûts, et une faiblesensibilités de la température de sortie du produit, ainsi que de son titre alcoolémique. / In order to converge as soon as possible toward the most preferable design solution, takingrobust decisions appears as a topical issue to ensure the best choices in engineering design. Inparticular, started from a selected concept, embodiment design consists in determining themain dimensioning and monitoring parameters of the system while meeting the designrequirements. The continuity of the design process between the preliminary and detailedphases strongly depends on the efficiency of the embodiment design phase in providingembodied solutions with a validated physical behaviour and an optimized functional structure.Embodiment design problems are thus generally turned toward numerical optimization. Thisrequires an accurate modelling of embodiment design problems, and in particular,investigation of large design spaces, representation and evaluation of candidate solutions anda priori formalization of preferences are topical issues.Research works presented in this thesis deal with the development of methodologies andtools to support decision making during embodiment design of industrial systems andmachines. In particular, it aims to provide designers with a convenient way to structureobjectives functions for optimization in embodiment design. This approach consists in linkingthe physical behaviour of the system to be designed, with the design criteria and objectivesthrough the modelling of designer’s preferences according to observation, interpretation andaggregation steps. Based on the concept of desirability, this modelling procedure is used toformulate design objectives and to quantify the overall level of satisfaction achieved bycandidate solutions. In the scope of robust design, this method is applied first to formulatedesign objectives related to performances, and then, to formulate design objectives related tothe sensitivity of performances. Robust design problems are thus tackled as a trade-offbetween these two design objectives. Measurement methods for performance dispersion andoriginal trade-off function specific to robust design are proposed.Finally, an application of the modelling methodology through the embodiment design of atwo-staged flash evaporator for must concentration in the wine industry is presented.Objective is to find robust design solutions, i.e. configurations with simultaneously adesirable level of performance, including the quality of the vintage, the transportability of thesystem and the costs of ownership, and a low sensitivity of some performances, namely thetemperature of the outlet product and the final alcoholic strength.

Plus d'un million de personnes meurent dans des accidents sur les routes du monde et beaucoup de millions sont gravement blessés chaque année. Selon les études, ‘Run-Off-Road accidents (ROR)’, c'est-à-dire que le véhicule a au moins une collision avec des équipements routiers, représentent environ 10% des accidents routières, mais 45% de tous les accidents mortels sont des ROR. Les dispositifs de retenue des véhicules (DDR) sont les infrastructures installées sur la route pour fournir un niveau de confinement du véhicule ‘hors de contrôle’. La barrière de sécurité routière est un DDR continu installé à côté ou sur la réserve centrale d'une route pour empêcher les véhicules errants de s'écraser sur les obstacles routiers et de les conserver en toute sécurité. Les résultats statistique montrent que l'existence des barrières peut réduire les morts jusqu'à un facteur de 4 par rapport aux collisions contre d'autres obstacles routiers. Les performances de sauvetage d'un DDR dépendent de la conception de l'appareil. Des normes telles que EN1317 ont normalisé les conditions des essais de chocs sous lesquelles une conception de DDR doit être testée et ont défini les critères pour l'évaluation des performances d'une conception. En fait, un DDR ne puisse pas vraiment être optimisé: il existe des critères multiples pour l'évaluation de la performance d'un DDR et tous les critères ne peuvent pas être optimisés en même temps; les conditions de travail d’un DDR, c'est-à-dire les conditions d'impact d’un DDR avec un véhicule errant, sont nombreuses; les facteurs incertains du DDR peuvent dégrader les performances d'une conception. La thèse vise à définir une approche qui peut servir : l'analyse de sensibilité (AS) et la conception robuste du DDR ; enrichissement des normes existantes dans la conception du DDR. Le cas d'une barrière de sécurité routière est spécifié dans l'étude : une barrière a été testée expérimentalement, le programme Ls-Dyna est utilisé pour la simulation de choc de l'appareil ; en tenant compte des propriétés du modèle de choc, les efficacités de différentes méthodes de l’AS ont été étudiées ; les influences des facteurs critiques dont les incertitudes contribuent le plus à l'instabilité de la barrière ont été quantifiées avec les approches d’AS sélectionnées ; compte tenu des incertitudes des facteurs critiques, l’optimisation robuste de multi-objectif de la barrière est réalisée ; des simulations d'impact de la barrière optimisée ont été effectuées sous des conditions d'impact différentes pour évaluer ses performances dans les véritables accidents. Les approches présentées dans l'article peuvent être utiles pour la conception d'autres DDR ou plus largement d'autres systèmes d'ingénierie complexes. On peut espérer que l'analyse de robustesse et l'analyse de la généralisation (c'est-à-dire l'évaluation de la performance du DDR sous différentes conditions d'impact) du DDR pourraient enrichir les normes de la conception des DDR / More than 1 million people die in crashes on the world’s roads and many millions are seriously injured each year. According to the studies: Run-Off-Road accidents (ROR), i.e. the vehicle run-off the road into the roadside and has at least one collision with either roadside equipment or the roadside itself, “represent about 10% of the total road accidents, while 45% of all fatal accidents are ROR”. Vehicle Restraint Systems (VRS) are the infrastructures installed on the road to provide a level of containment for an errant vehicle. Safety barrier is “continuous VRS installed alongside, or on the central reserve, of a road to prevent errant vehicles from crashing on roadside obstacles, and to retain them safely”. Statistic results show that “the existence of protective barriers on road can reduce fatalities up to a factor of 4 when compared to collisions against other road obstacles.” The life-saving performances of a VRS depend on the design of the device. Standards such as EN1317 normalized the impact conditions under which a design of VRS must be tested by crash tests, and defined the criteria for performance evaluation of a design. While a VRS cannot really be optimized: Multi-criteria exist for performance evaluation of a VRS and all the criteria cannot be optimized in the same time; the impact conditions of the VRS with the errant vehicle are numerous; uncertain factors of the VRS may degrade the performances of a design. The thesis aims to define an approach that can serve: sensitivity analysis (SA) and robust design of the VRS; Enrichment for the existing standards in the design of VRS. The case of a safety barrier is specified in the study: a safety barrier has been test experimentally, the program Ls-Dyna was used for crash simulation of the device; considering properties of the crash model, efficiencies of different SA methods were studied and influences of the critical factors whose uncertainties contribute the most to the instability of the barrier were quantified with the selected SA approaches; considering the uncertainties of the critical factors, Multi-Objective robust optimization of the tested barrier were realized; under different impact conditions, crash simulations of the optimized barrier were carried out to evaluate its performances in the real crash accidents. The approaches presented in the article can be useful for the design of other VRS or more broadly, other complex engineering systems. Hopefully, the robustness analysis and generalization analysis (i.e. performance evaluation of the VRS under different impact conditions) of the safety barrier could enrich the standards for the design of VRS

La compréhension et la prédiction du comportement vibro-acoustique des systèmes légers bois du bâtiment constitue un enjeu scientifique d'actualité. En 2015 une étude montrait encore que presque la moitié de ces systèmes constructifs n'offrait pas satisfaction. Un modèle prédictif à l'échelle du bâtiment, en cours de normalisation, permet de prendre en compte la performance individuelle des différents systèmes séparatifs pour remonter à un niveau de performance globale. La difficulté scientifique réside alors dans l'évaluation de la performance individuelle associée à chaque conception admissible, dans un vaste ensemble de systèmes techniquement réalisables. Dans cette recherche, une méthodologie est proposée pour la construction de modèles numériques capables de prendre en compte, aux basses fréquences, la complexité et la diversité des systèmes bois constitués de multiples plaques, poutres, cavités acoustiques et matériaux poroélastiques. En accord avec les procédures d'évaluation normalisées, des modèles déterministes pour les excitations mécaniques du système sont construits. Une approche probabiliste est alors développée en réponse à la problématique des incertitudes liées à la construction légère. Ainsi, en résolvant un problème stochastique inverse utilisant des données expérimentales pour identifier les hyperparamètres de modèles probabilistes développés, il est possible de quantifier la propagation des incertitudes du système à la performance prédite en conditions de laboratoire. Par suite, des configurations optimales, robustes aux incertitudes, sont recherchées. Du fait de la nature combinatoire du problème d'optimisation, un algorithme génétique, particulièrement adapté à un espace de recherche discret ainsi qu'à l'optimisation multi-objectif, est mis en oeuvre. Dans les cas traités, les configurations optimales tendent vers une maximisation de la rigidité structurelle / Being able to understand and predict the vibroacoustic behavior of lightweight wood-based building systems contitute a serious scientific concern. In 2015, acoustic comfort investigation claims that unsatisfactions are expressed with respect to around 50% of such constructions. In particular, low frequency discomfort is target of criticism. A methodology was proposed, currently running through standardisation process, which translates the individual performance of the building systems into a global building performance index. The challenge consequently lies in the prediction of the individual performances in regard to the wide spread of wood based designs. In this research, a methodology is introduced for the construction of computational models able to handle the complexity and diversity of the systems, constituted of multiple boards, stiffeners, cavities and poroelastic media. Structural excitations of the system are constructed according to standard evaluation procedures. Then, a probabilistic approach is undertaken in order to take into account the uncertainty problematic, inherent to lightweight wood based constructions. In particular, stochastic inverse problems are constructed to identify, from experimental measurements, hyperparameters associated with ad hoc probabilistic models. Eventually, uncertainty quantification can be performed in regard to predicted performance in laboratory conditions. Following, robust optimal designs are sought in the presence of uncertainties. No continuous mapping from the search space of the configurations to the space of the fitness functions representative of the objective performance exists and derivatives cannot be defined. By way of consequence, the class of the evolutionnary algorithm, suited to discrete search spaces as well as multi-objective optimisation, is chosen. Considered optimisation problems displayed preferential directions of the genetic algorithm towards stiffest admissible designs