The reliability is defined as a probability that a system will operate properly for a specified period of time under the design operating conditions without failure and it has been considered as one of the major design parameters in the field of industries. Reliability-Redundancy Optimization Problem(RROP) involves selec tion of components with multiple choices and redundancy levels for maximizing system reliability with constraints such as cost, weight, etc. However, in practice both active and cold standby redundancies may be used within a particular system design. Therefore, a redundancy strategy(active, cold standby) for each subsystem in order to maximize system reliability is considered in this study. Due to the nature of RROP, i.e. NP-hard problem, A Parallel Particle Swarm Optimization(PPSO) algorithm is proposed to solve the mathematical programming model and it gives consistently better quality solutions than existing studies for benchmark problems.
A novel approach is proposed to effectively estimate the quantile functions of normalized performance indices of reliability constraints in a reliability-based optimization (RBO) problem. These quantile functions are not only estimated as functions of exceedance probabilities but also as functions of the design variables of the target RBO problem. Once these quantile functions are obtained, all reliability constraints in the target RBO problem can be transformed into non-probabilistic ordinary ones, and the RBO problem can be solved as if it is an ordinary optimization problem. Two numerical examples are investigated to verify the proposed novel approach. The results show that the approach may be capable of finding approximate solutions that are close to the actual solution of the target RBO problem.
This paper presents a design methodology for determining configurations of slider air bearings considering the randomness of the air-bearing surface (ABS) geometry by using the iSIGHT. A reliability-based design optimization (RBDO) problem is formulated to minimize the variations in the mean values of the flying heights from a target value while satisfying the desired probabilistic constraints keeping the pitch and roll angles within a suitable range. The reliability analysis is employed to estimate how the fabrication tolerances of individual slider parameters affect the final flying attitude tolerances. The proposed approach first solves the deterministic optimization problem. Then, beginning with this solution, the RBDO is continued with the reliability constraints affected by the random variables. Reliability constraints overriding the constraints of the deterministic optimization attempt to drive the design to a reliability solution with minimum increase in the objective. The simulation results of the RBDO are listed in comparison with the values of the initial design and the results of the deterministic optimization, respectively. To show the effectiveness of the proposed approach, the reliability analyses are simply carried out by using the mean value first-order second-moment (MVFO) method. The Monte Carlo simulation of the RBDO's results is also performed to estimate the efficiency of the proposed approach. Those results are demonstrated to satisfy all the desired probabilistic constraints, where the target reliability level for constraints is defined as 0.8.
Tamijani, Ali Y.;Mulani, Sameer B.;Kapania, Rakesh K.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.4
no.4
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pp.467-486
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2017
A method for decoupling reliability based design optimization problem into a set of deterministic optimization and performing a reliability analysis is described. The inner reliability analysis and the outer optimization are performed separately in a sequential manner. Since the outer optimizer must perform a large number of iterations to find the optimized shape and size of structure, the computational cost is very high. Therefore, during the course of this research, new multilevel reliability optimization methods are developed that divide the design domain into two sub-spaces to be employed in an iterative procedure: one of the shape design variables, and the other of the size design variables. In each iteration, the probability constraints are converted into equivalent deterministic constraints using reliability analysis and then implemented in the deterministic optimization problem. The framework is first tested on a short column with cross-sectional properties as design variables, the applied loads and the yield stress as random variables. In addition, two cases of curvilinearly stiffened panels subjected to uniform shear and compression in-plane loads, and two cases of curvilinearly stiffened panels subjected to shear and compression loads that vary in linear and quadratic manner are presented.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.19
no.4
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pp.469-475
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2010
The objective of this study is to integrate reliability analysis into shape optimization problem using the evolutionary structural optimization (ESO) in the application example. Reliability-based shape optimization is formulated as volume minimization problem with probabilistic stress constraint under minimization max. von Mises stress and allow stress. Young's modulus, external load and thickness are considered as uncertain variables. In order to compute reliability index, four methods, i.e., reliability index approach (RIA), performance measure approach (PMA), single-loop singlevector (SLSV) and adaptive-loop (ADL), are used. Reliability-based shape optimization design process is conducted to obtain optimal shape satisfying max. von Mises stress and reliability index constraints with the above four methods, and then each result is compared with respect to numerical stability and computing time.
Kim, Ho-Gyun;Bae, Chang-Ok;Kim, Jae-Hwan;Son, Joo-Young
Journal of Korean Institute of Industrial Engineers
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v.34
no.1
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pp.49-56
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2008
Reliability has been considered as an important design measure in various industrial systems. We discuss a reliability optimization problem with component choices (ROP-CC) subject to a budget constraint. This problem has been known as a NP-hard problem in the reliability design fields. Several researchers have been working to find the optimal solution through different heuristic methods. In this paper, we describe our development of simulated annealing (SA) and tabu search (TS) algorithms and a reoptimization procedure of the two algorithms for solving the problem. Experimental results for some examples are shown to evaluate the performance of these methods. We compare the results with the solutions of a previous study which used ant system (AS) and the global optimal solution of each example obtained through an optimization package, CPLEX 9.1. The computational results indicate that the developed algorithms outperform the previous results.
Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering
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v.13
no.22
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pp.25-34
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1990
This paper is to maximize the reliability subject to certain constraints on amounts of resources available for control of the parameters. The lagrange multiplier method is used to optimize t-th lognormal stress-lognormal strength problem. This optimization problem can be reduced to a search problem in one variable. A numerical example is presented to illustrate the optimization problem.
Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering
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v.33
no.2
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pp.48-55
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2010
Reliability has been considered as a one of the major design measures in various industrial and military systems. The main objective is to suggest a mathematical programming model and a hybrid parallel genetic algorithm(HPGA) for the problem that determines the optimal component reliability to maximize the system reliability under cost constraint in this study. Reliability optimization problem has been known as a NP-hard problem and normally formulated as a mixed binary integer programming model. Component structure, reliability, and cost were computed by using HPGA and compared with the results of existing meta-heuristic such as Ant Colony Optimization(ACO), Simulated Annealing(SA), Tabu Search(TS) and Reoptimization Procedure. The global optimal solutions of each problem are obtained by using CPLEX 11.1. The results of suggested algorithm give the same or better solutions than existing algorithms, because the suggested algorithm could paratactically evolved by operating several sub-populations and improving solution through swap and 2-opt processes.
Mechanical components and structures are a major part of complex systems and the conseguences of their failure can be extremely costly. The ultimate goal of design engineers is to optimize these mechanical and structural design from the point of view of cost, reliability, weight, volume, maintainability and safety. An essential requirement of design optimization is to develop mathematical models for reliability at design stage. This paper is to minimize the cost of resources subject to the constraint that the reliability of the system must meet a specified level. The lagrange multiplier method is used to optimize the lognormal stress-lognormal strength problem. This optimization problem can be reduced to a search problem in one variable. A numerical example is presented to illustrate the optimization problem.
Reliability allocation is defined as a problem of determination of the reliability for subsystems and components to achieve target system reliability. The determination of both optimal component reliability and the number of component redundancy allowing mixed components to maximize the system reliability under resource constraints is called reliability-redundancy allocation problem(RAP). The main objective of this study is to suggest a mathematical programming model and a hybrid parallel genetic algorithm(HPGA) for reliability-redundancy allocation problem that decides both optimal component reliability and the number of component redundancy to maximize the system reliability under cost and weight constraints. The global optimal solutions of each example are obtained by using CPLEX 11.1. The component structure, reliability, cost, and weight were computed by using HPGA and compared the results of existing metaheuristic such as Genetic Algoritm(GA), Tabu Search(TS), Ant Colony Optimization(ACO), Immune Algorithm(IA) and also evaluated performance of HPGA. The result of suggested algorithm gives the same or better solutions when compared with existing algorithms, because the suggested algorithm could paratactically evolved by operating several sub-populations and improve solution through swap, 2-opt, and interchange processes. In order to calculate the improvement of reliability for existing studies and suggested algorithm, a maximum possible improvement(MPI) was applied in this study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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