Stochastic processes are used to represent phenomena in many diverse fields. Numerical simulation method is widely applied for the solution to stochastic problems of complex structures when alternative analytical methods are not applicable. In some practical applications the stochastic processes show non-Gaussian properties. When the stochastic processes deviate significantly from Gaussian, techniques for their accurate simulation must be available. The various existing simulation methods of non-Gaussian stochastic processes generally can only simulate super-Gaussian stochastic processes with the high-peak characteristics. And these methodologies are usually complicated and time consuming, not sufficiently intuitive. By revealing the inherent coupling effect of the phase and amplitude part of discrete Fourier representation of random time series on the non-Gaussian features (such as skewness and kurtosis) through theoretical analysis and simulation experiments, this paper presents a novel approach for the simulation of non-Gaussian stochastic processes with the prescribed amplitude probability density function (PDF) and power spectral density (PSD) by amplitude modulation and phase reconstruction. As compared to previous spectral representation method using phase modulation to obtain a non-Gaussian amplitude distribution, this non-Gaussian phase reconstruction strategy is more straightforward and efficient, capable of simulating both super-Gaussian and sub-Gaussian stochastic processes. Another attractive feature of the method is that the whole process can be implemented efficiently using the Fast Fourier Transform. Cases studies demonstrate the efficiency and accuracy of the proposed algorithm.
The characteristics of the parameters for the probability distribution of fatigue crack growth life, using the non-Gaussian random process simulation method is investigated. In this paper, the material resistance to fatigue crack growth is treated as a spatial random process, which varies randomly on the crack surface. Using the previous experimental data, the crack length equals the number of cycle curves that are simulated. The results are obtained for constant stress intensity factor range conditions with stress ratios of R=0.2, three specimen thickness of 6, 12 and 18mm, and the four stress intensity level. The probability distribution function of fatigue crack growth life seems to follow the 3-parameter Wiubull,, showing a slight dependence on specimen thickness and stress intensity level. The shape parameter, $\alpha$, does not show the dependency of thickness and stress intensity level, but the scale parameter, $\beta$, and location parameter, ${\gamma}$, are decreased by increasing the specimen thickness and stress intensity level. The slope for the stress intensity level is larger than the specimen thickness.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2002.10a
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pp.301-306
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2002
The characteristics of parameters for the probability distribution of fatigue crack growth lives by the non-Gaussian random process simulation method is investigated. In this paper, the material resistance to fatigue crack growth is treated as a spatial random process, which varies randomly on the crack surface. Using the previous experimental data, the crack length - the number of cycles curves are simulated. The results are obtained for constant stress intensity factor range conditions with stress ratio of R=0.2, three specimen thickness of 6, 12 and 18mm, and the four stress intensity level. The probability distribution function of fatigue crack growth lives seems to follow the 3-parameter Wiubull and shows a slight dependence on specimen thickness and stress intensity level. The shape parameter, ${\alpha}$, does not show the dependency of thickness and stress intensity level, but the scale parameter, ${\beta}$, and location parameter, ${\upsilon}$, are decreased by increasing the specimen thickness and stress intensity level. The slope for the stress intensity level is larger than the specimen thickness.
In wind-resistant designs, wind velocity is assumed to be a Gaussian process; however, local complex topography may result in strong non-Gaussian wind features. This study investigates the non-Gaussian wind features over complex terrain under atmospheric turbulent boundary layers by the large eddy simulation (LES) model, and the turbulent inlet of LES is generated by the consistent discretizing random flow generation (CDRFG) method. The performance of LES is validated by two different complex terrains in Changsha and Mianyang, China, and the results are compared with wind tunnel tests and onsite measurements, respectively. Furthermore, the non-Gaussian parameters, such as skewness, kurtosis, probability curves, and gust factors, are analyzed in-depth. The results show that the LES method is in good agreement with both mean and turbulent wind fields from wind tunnel tests and onsite measurements. Wind fields in complex terrain mostly exhibit a left-skewed Gaussian process, and it changes from a softening Gaussian process to a hardening Gaussian process as the height increases. A reduction in the gust factors of about 2.0%-15.0% can be found by taking into account the non-Gaussian features, except for a 4.4% increase near the ground in steep terrain. This study can provide a reference for the assessment of extreme wind loads on structures in complex terrain.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.09a
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pp.243-250
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2001
Industrial machines are sometimes exposed to the danger of earthquake. In the design of a mechanical system, this factor should be accounted for from the viewpoint of reliability. A method to analyze a complex nonlinear structure system under random excitation is proposed. First, the actual random excitation, such as earthquake, is approximated to the corresponding Gaussian process far the statistical analysis. The modal equations of overall system are expanded sequentially. Then, the perturbed equations are synthesized into the overall system and solved in probabilistic way. Several statistical properties of a random process that are of interest in random vibration applications are reviewed in accordance with nonlinear stochastic problem. The obtained statistical properties of the nonlinear random vibration are evaluated in each substructure. Comparing with the results of the numerical simulation proved the efficiency of the proposed method.
Di Paola, Mario;Pirrotta, Antonina;Zingales, Massimiliano
Structural Engineering and Mechanics
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v.28
no.4
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pp.373-386
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2008
In this study stochastic analysis of non-linear dynamical systems under ${\alpha}$-stable, multiplicative white noise has been conducted. The analysis has dealt with a special class of ${\alpha}$-stable stochastic processes namely sub-Gaussian white noises. In this setting the governing equation either of the probability density function or of the characteristic function of the dynamical response may be obtained considering the dynamical system forced by a Gaussian white noise with an uncertain factor with ${\alpha}/2$- stable distribution. This consideration yields the probability density function or the characteristic function of the response by means of a simple integral involving the probability density function of the system under Gaussian white noise and the probability density function of the ${\alpha}/2$-stable random parameter. Some numerical applications have been reported assessing the reliability of the proposed formulation. Moreover a proper way to perform digital simulation of the sub-Gaussian ${\alpha}$-stable random process preventing dynamical systems from numerical overflows has been reported and discussed in detail.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2001.10a
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pp.232-237
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2001
The evaluation of specimen thickness effect of fatigue crack growth life by the simulation of probabilistic fatigue crack growth is presented. In this paper, the material resistance to fatigue crack growth is treated as a spatial stochastic process, which varies randomly on the crack surface. Using the previous experimental data, the non-Gaussian(eventually Weibull, in this report) random fields simulation method is applied. This method is useful to estimate the probability distribution of fatigue crack growth life and the variability due to specimen thickness by simulating material resistance to fatigue crack growth along a crack path.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.755-767
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2020
A significant development has been made on a new fatigue damage model applicable to Gaussian wide band stress response spectra using numerical approximation methods such as data processing, time simulation, and regression analysis. So far, most of the alternative approximate models provide slightly underestimated or overestimated damage results compared with the rain-flow counting distribution. A more reliable approximate model that can minimize the damage differences between exact and approximate solutions is required for the practical design of ships and offshore structures. The present paper provides a detailed description of the development process of a new fatigue damage model. Based on the principle of the Gaussian wide band model, this study aims to develop the best approximate fatigue damage model. To obtain highly accurate damage distributions, this study deals with some prominent research findings, i.e., the moment of rain-flow range distribution MRR(n), the special bandwidth parameter μk, the empirical closed form model consisting of four probability density functions, and the correction factor QC. Sequential prerequisite data processes, such as creation of various stress spectra, extraction of stress time history, and the rain-flow counting stress process, are conducted so that these research findings provide much better results. Through comparison studies, the proposed model shows more reliable and accurate damage distributions, very close to those of the rain-flow counting solution. Several significant achievements and findings obtained from this study are suggested. Further work is needed to apply the new developed model to crack growth prediction under a random stress process in view of the engineering critical assessment of offshore structures. The present developed formulation and procedure also need to be extended to non-Gaussian wide band processes.
Solari, Giovanni;Burlando, Massimiliano;De Gaetano, Patrizia;Repetto, Maria Pia
Wind and Structures
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v.20
no.6
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pp.763-791
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2015
"Wind and Ports" is a European project that has been carried out since 2009 to handle wind forecast in port areas through an integrated system made up of an extensive in-situ wind monitoring network, the numerical simulation of wind fields, the statistical analysis of wind climate, and algorithms for medium-term (1-3 days) and short term (0.5-2 hours) wind forecasting. The in-situ wind monitoring network, currently made up of 22 ultrasonic anemometers, provides a unique opportunity for detecting high resolution thunderstorm records and studying their dominant characteristics relevant to wind engineering with special concern for wind actions on structures. In such a framework, the wind velocity of thunderstorms is firstly decomposed into the sum of a slowly-varying mean part plus a residual fluctuation dealt with as a non-stationary random process. The fluctuation, in turn, is expressed as the product of its slowly-varying standard deviation by a reduced turbulence component dealt with as a rapidly-varying stationary Gaussian random process with zero mean and unit standard deviation. The extraction of the mean part of the wind velocity is carried out through a moving average filter, and the effect of the moving average period on the statistical properties of the decomposed signals is evaluated. Among other aspects, special attention is given to the thunderstorm duration, the turbulence intensity, the power spectral density and the integral length scale. Some noteworthy wind velocity ratios that play a crucial role in the thunderstorm loading and response of structures are also analyzed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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