Reliability estimation of a multi-component mechanical system "speed reducer" using optimization methods

dc.contributor.authorKARAR , Naoual
dc.contributor.authorFELKAOUI , Ahmed Supervisor
dc.date.accessioned2026-06-15T10:48:47Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractThe reliability assessment of multi-component mechanical systems, such as speed reducers, poses considerable challenges due to the numerous random variables involved and the presence of correlated failure modes. The use of Dimensionality Reduction Methods (DRMs) in structural reliability analysis provides a valuable approach to simplify these complex systems. However, their application raises important concerns related to maintaining accuracy, ensuring interpretability, and achieving computational efficiency. This thesis evaluates the limitations and applicability of Dimensionality Reduction Methods (DRMs) in solving real-world structural reliability problems. The primary objective is to develop strategies that mitigate inherent drawbacks of DRMs, such as significant information loss, challenges in interpreting principal components and their physical significance relative to the original variables, and high computational complexity. The research is structured in three stages. First, a Structural System Reliability-Based Dimension Reduction Method (SSR-DRM) is proposed, which leverages the First-Order Reliability Method (FORM) to create reduced-dimensional models based on sensitivity factors and the correlation between failure modes. Reliability is then assessed for the original, reduced-dimensional, and deterministic models to identify which simplified models most accurately represent the original system. Failure probabilities are estimated using FORM and Monte Carlo Simulation (MCS) as benchmark methods. The results consistently show that the reduced- dimensional model provides the most precise approximation of the original system across all subsystems of the speed reducer, effectively capturing essential reliability characteristics while significantly reducing computational effort. In the second stage, the reduced-dimension models from the previous phase are employed to estimate the overall reliability of the speed reducer, modeled as a series system of its components. First, the first-order failure probability bounds (i.e., the widest upper and lower bounds) are computed for the reduced models. Subsequently, the failure probability is evaluated using Ditlevsen’s second-order upper bound method (narrow bounds), incorporating sensitivity factors and the correlation matrix. The results show strong agreement with Monte Carlo Simulation (MCS) outcomes, demonstrating the efficacy of the proposed approach.
dc.description.sponsorshipL'évaluation de la fiabilité des systèmes mécaniques multi-composants, tels que les réducteurs de vitesse, pose des défis considérables en raison des nombreuses variables aléatoires impliquées et de la présence de modes de défaillance corrélés. L'utilisation des Méthodes de Réduction de Dimensionnalité (MRD) dans l'analyse de fiabilité structurelle offre une approche précieuse pour simplifier ces systèmes complexes. Cependant, leur application soulève d'importantes préoccupations liées au maintien de la précision, à l'assurance de l'interprétation et à l'atteinte de l'efficacité computationnelle. Cette thèse évalue les limitations et l'applicabilité des Méthodes de Réduction de Dimensionnalité (MRD) dans la résolution de problèmes de fiabilité structurelle du monde réel. L'objectif principal est de développer des stratégies qui atténuent les inconvénients inhérents des méthodes de réduction de dimensionnalité (MRD), tels que la perte d'informations significative, les difficultés d'interprétation des composantes principales et leur signification physique par rapport aux variables d'origine, ainsi que la complexité computationnelle élevée. La recherche est structurée en trois étapes. Tout d'abord, une méthode de réduction de dimension basée sur la fiabilité des systèmes structurels (SSR-DRM) est proposée, qui utilise la méthode de fiabilité du premier ordre (FORM) pour créer des modèles de dimension réduite basés sur les facteurs de sensibilité et la corrélation entre les modes de défaillance. La fiabilité est ensuite évaluée pour les modèles originaux, réduits en dimensions et déterministes afin d'identifier quels modèles simplifiés représentent le plus fidèlement le système original. Les probabilités de défaillance sont estimées en utilisant FORM et la simulation de Monte Carlo (MCS) comme méthodes de référence. Les résultats montrent de manière cohérente que le modèle à dimension réduite fournit l'approximation la plus précise du système original dans tous les sous-systèmes du réducteur de vitesse, capturant efficacement les caractéristiques essentielles de fiabilité tout en l'effort de calcul. la deuxième étape, les modèles à dimension réduite de la phase précédente sont utilisés pour estimer la fiabilité globale du réducteur de vitesse, modélisé comme un système en série de ses composants. Tout d'abord, les bornes de probabilité de défaillance du premier ordre (c'est-à-dire les bornes supérieures et inférieures les plus larges) sont calculées pour les modèles réduits. Par la suite, la probabilité de défaillance est évaluée en utilisant la méthode de la borne supérieure du second ordre de Ditlevsen (bornes étroites), en incorporant les facteurs de sensibilité et la matrice de corrélation. Les résultats montrent une forte concordance avec les résultats de la Simulation de Monte Carlo (MCS), démontrant l'efficacité de l'approche proposée. La troisième étape se concentre sur l'amélioration de la fiabilité du sous-système de la paire d'engrenages dans des conditions de fonctionnement difficiles. Deux approches distinctes sont employées : (1) modifier les paramètres statistiques des variables les plus influentes, et (2) mettre en œuvre le cadre proposé d'Optimisation de Conception Robuste Basée sur la Fiabilité (RBRDO), qui utilise la méthode d'Évaluation de Fiabilité et d'Optimisation Séquentielle (SORA) pour optimiser les paramètres de conception critiques. Les résultats obtenus s'alignent étroitement avec les conclusions rapportées dans la littérature, validant ainsi l'efficacité de la méthodologie proposée.
dc.identifier.urihttps://repository.univ-setif.dz/handle/123456789/973
dc.language.isoen
dc.publisherSetif 1 University - Ferhat ABBAS , Institute of Optics and Precision Mechanics
dc.subjectDimension Reduction Method (DRM)
dc.subjectFirst-Order Reliability Method (FORM)
dc.subjectsensitivity factors
dc.subjectfirst-order failure probability bounds
dc.subjectNarrow Bounds
dc.subjectReliability-Based Robust Design Optimization (RBRDO)
dc.subjectspeed reducer reliability.
dc.titleReliability estimation of a multi-component mechanical system "speed reducer" using optimization methods
dc.typeThesis

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