Méthodes avancées d'optimisation par méta-modèles – Applicationà la performance des voiliers de compétition

Advanced surrogate-based optimization methods - Application to racing yachts performance

• Auteur / Autrice : Matthieu Sacher
• Direction : Jacques-André Astolfi, Olivier Le Maître
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 10/09/2018
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest) - Institut de recherche de l'Ecole Navale / IRENAV
• Jury : Président / Présidente : Shabnam Arbab Chirani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques-André Astolfi, Olivier Le Maître, Christophe Corre, Angela Vincenti, Vincent Chapin, Régis Duvigneau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rodolphe Le Riche, Christophe Corre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus gaussiens

Mécanique des fluides

Bateaux à voiles

Mots clés libres

Optimisation globale

Méta-Modèles

Processus Gaussien

Classification

Multi-Fidélité

Interaction fluide-Structure

Global optimization

Surrogate models

Gaussian process

Classification

Multi-Fidelity

Fluid-Structure interaction

Résumé

L’optimisation de la performance des voiliers est un problème difficile en raison de la complexité du systèmemécanique (couplage aéro-élastique et hydrodynamique) et du nombre important de paramètres à optimiser (voiles, gréement,etc.). Malgré le fait que l’optimisation des voiliers est empirique dans la plupart des cas aujourd’hui, les approchesnumériques peuvent maintenant devenir envisageables grâce aux dernières améliorations des modèles physiques et despuissances de calcul. Les calculs aéro-hydrodynamiques restent cependant très coûteux car chaque évaluation demandegénéralement la résolution d’un problème non linéaire d’interaction fluide-structure. Ainsi, l’objectif central de cette thèseest de proposer et développer des méthodes originales dans le but de minimiser le coût numérique de l’optimisation dela performance des voiliers. L’optimisation globale par méta-modèles Gaussiens est utilisée pour résoudre différents problèmesd’optimisation. La méthode d’optimisation par méta-modèles est étendue aux cas d’optimisations sous contraintes,incluant de possibles points non évaluables, par une approche de type classification. L’utilisation de méta-modèles à fidélitésmultiples est également adaptée à la méthode d’optimisation globale. Les applications concernent des problèmesd’optimisation originaux où la performance est modélisée expérimentalement et/ou numériquement. Ces différentes applicationspermettent de valider les développements des méthodes d’optimisation sur des cas concrets et complexes, incluantdes phénomènes d’interaction fluide-structure.

Sailing yacht performance optimization is a difficult problem due to the high complexity of the mechanicalsystem (aero-elastic and hydrodynamic coupling) and the large number of parameters to optimize (sails, rigs, etc.).Despite the fact that sailboats optimization is empirical in most cases today, the numerical optimization approach is nowconsidered as possible because of the latest advances in physical models and computing power. However, these numericaloptimizations remain very expensive as each simulation usually requires solving a non-linear fluid-structure interactionproblem. Thus, the central objective of this thesis is to propose and to develop original methods aiming at minimizing thenumerical cost of sailing yacht performance optimization. The Efficient Global Optimization (EGO) is therefore appliedto solve various optimization problems. The original EGO method is extended to cases of optimization under constraints,including possible non computable points, using a classification-based approach. The use of multi-fidelity surrogates isalso adapted to the EGO method. The applications treated in this thesis concern the original optimization problems inwhich the performance is modeled experimentally and/or numerically. These various applications allow for the validationof the developments in optimization methods on real and complex problems, including fluid-structure interactionphenomena.