This paper presents a technique for determining the optimal number of elements in stochastic finite element analysis based on reliability analysis. Using the change-of-variable perturbation stochastic finite element approach, the probability density function of the dynamic responses of stochastic structures is explicitly determined. This method combines the perturbation stochastic finite element method with the change-of-variable technique into a united model. To further examine the relationships between the random fields, discretization of the random field parameters, such as the variance function and the scale of fluctuation, is also performed. Accordingly, the reliability index is calculated based on the explicit probability density function of responses with Gaussian or non-Gaussian random fields in any number of elements corresponding to the random field discretization. The numerical examples illustrate the effectiveness of the proposed method for a one-dimensional cantilever reinforced concrete column and a two-dimensional steel plate shear wall. The benefit of this method is that the probability density function of responses can be obtained explicitly without the use simulation techniques. Any type of random variable with any statistical distribution can be incorporated into the calculations, regardless of the restrictions imposed by the type of statistical distribution of random variables. Consequently, this method can be utilized as a suitable guideline for the efficient implementation of stochastic finite element analysis of structures, regardless of the statistical distribution of random variables.
This study presents a methodology for the system reliability analysis of cracked structures with random material properties, which are modeled as random fields, and crack geometry under random static loads. The finite element method provides the computational framework to obtain the stress intensity solutions, and the first-order reliability method provides the basis for modeling and analysis of uncertainties. The ultimate structural system reliability is effectively evaluated by the stable configuration approach. Numerical examples are given for the case of random fracture toughness and load.
Thick composite laminated plates is considered in 3D finite-element. To consider continuity of transverse stresses and displacement field, mixed finite-element has been developed by using layerwise theory and the minimum potential energy principle. Mixed finite-element has been enforced through the thick direction, Z, of a laminated plate by considering six degree-of-freedoms per node. Six degree-of-freedoms are three displacement components in the coordinate axes directions and three transverse stress components ${\sigma}_z,\;{\tau}_{xz},\;{\tau}_{yz}$. The model maintain the fundamental elasticity relations that are stress-strain relation and displacement-strain relation, because the transverse stress components invoked as nodal degrees of freedom by using the fundamental elasticity relationship between th components of stress and displacement. Random vibration analysis of the model is performed by computing consistent mass matrix and computing covariance in frequency domain technique.
In structural engineering, the material properties of the structures such as elastic modulus, shear modulus, density, and size may not be deterministic and may vary at different locations. The dynamic response analysis of such structures may need to consider these properties as stochastic. This paper introduces a stochastic finite element method (SFEM) approach to analyze moving loads problems. Firstly, Karhunen-Loéve expansion (KLE) is applied for expressing the stochastic field of material properties. Then the mathematical expression of the random field is substituted into the finite element model to formulate the corresponding random matrix. Finally, the statistical moment of the dynamic response is calculated by the point estimation method (PEM). The accuracy and efficiency of the dynamic response obtained from the KLE-PEM are demonstrated by the example of a moving load passing through a simply supported Euler-Bernoulli beam, in which the material properties (including elastic modulus and density) are considered as random fields. The results from the KLE-PEM are compared with those from the Monte Carlo simulation. The results demonstrate that the proposed method of KLE-PEM has high accuracy and efficiency. By using the proposed SFEM, the random vertical deflection of a high-speed railway (HSR) bridge is analyzed by considering the random fields of material properties under the moving load of a train.
A finite element model of a beam element with flexible connections is used to investigate the effect of the randomness in the stiffness values on the modal properties of the structural system. The linear behavior of the connections is described by a set of random fixity factors. The element mass and stiffness matrices are function of these random parameters. The associated eigenvalue problem leads to eigenvalues and eigenvectors which are also random variables. A second order perturbation technique is used for the solution of this random eigenproblem. Closed form expressions for the 1st and 2nd order derivatives of the element matrices with respect to the fixity factors are presented. The mean and the variance of the eigenvalues and vibration modes are obtained in terms of these derivatives. Two numerical examples are presented and the results are validated with those obtained by a Monte-Carlo simulation. It is found that an almost linear statistical relation exists between the eigenproperties and the stiffness of the connections.
Industrial structure systems may have nonlinearity, and are also sometimes exposed to the danger of random excitation. This paper proposes a method to analyze response and reliability design of a complex nonlinear structure system under random excitation. The nonlinear structure system which is subjected to random process is modeled by finite element method. The nonlinear equations are expanded sequentially using the perturbation theory. Then, the perturbed equations are solved in probabilistic methods. Several statistical properties of random process that are of interest in random vibration applications are reviewed in accordance with the nonlinear stochastic problem.
Considering the randomness of material parameters in the laminated composite plate, a scheme of stochastic finite element method to analyze the displacement response variability is suggested. In the formulation we adopted the concept of the weighted integral where the random variable is defined as integration of stochastic field function multiplied by a deterministic function over a finite element. In general the elastic modulus of composite materials has distinct value along an individual axis. Accordingly, we need to assume 5 material parameters as random. The correlations between these random parameters are modeled by means of correlation functions, and the degree of correlation is defined in terms of correlation coefficients. For the verification of the proposed scheme, we employ an independent analysis of Monte Carlo simulation with which statistical results can be obtained. Comparison is made between the proposed scheme and Monte Carlo simulation.
The main idea of this paper introduce stochastic structural parameters and random dynamic excitation directly into the dynamic functional variational formulations, and developed the nonlinear dynamic analysis of a stochastic variational principle and the corresponding stochastic finite element method via the weighted residual method and the small parameter perturbation technique. An interpolation method was adopted, which is based on representing the random field in terms of an interpolation rule involving a set of deterministic shape functions. Direct integration Wilson-${\theta}$ Method was adopted to solve finite element equations. Numerical examples are compared with Monte-Carlo simulation method to show that the approaches proposed herein are accurate and effective for the nonlinear dynamic analysis of structures with random parameters.
This paper demonstrates an application of the perturbation based stochastic finite element method (SFEM) for predicting the performance of structural systems made of composite sections with random material properties. The composite member consists of materials in contact each of which can surround a finite number of inclusions. The perturbation based stochastic finite element analysis can provide probabilistic behavior of a structure, only the first two moments of random variables need to be known, and should therefore be suitable as an alternative to Monte Carlo simulation (MCS) for realizing structural analysis. A summary of stiffness matrix formulation of composite systems and perturbation based stochastic finite element dynamic analysis formulation of structural systems made of composite sections is given. Two numerical examples are presented to illustrate the method. During stochastic analysis, displacements and sectional forces of composite systems are obtained from perturbation and Monte Carlo methods by changing elastic modulus as random variable. The results imply that perturbation based SFEM method gives close results to MCS method and it can be used instead of MCS method, especially, if computational cost is taken into consideration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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