For the analysis of a vibrating two dimensional structure such as the simply supported rectangular plate, Spectral Finite Element Method (SFEM) has been studied. Under the condition that two parallel edges are simply supported at least and the other two edges can be arbitrary, Spectral Finite Element has been developed. Using this element SFEM is applied to the vibrating rectangular plate which all edges are simply supported, and obtain the frequency response function in frequency domain and the dynamic response in time domain. To evaluate these results normal mode method and finite element method (FEM) are also accomplished and compared. It is seen that SFEM is more powerful analysis tool than FEM in high frequency range.
한국지구물리탐사학회 2003년도 Proceedings of the international symposium on the fusion technology
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pp.192-197
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2003
It can be said that rock mass properties are characterized not by a mean value but by values with variation due to its characteristic uncertainty. This characteristic is one of the most important parts for the design of underground structures, but yet to be fully examined. Stochastic finite element method (SFEM) has been developed in order to take the randomness of structural systems into account. Using SFEM, the response variability of structural system can be obtained and it leads probabilistic stability of structure to be analyzed. In this study, displacements response variability of circular opening with hydrostatic stress field are analyzed in terms of rock mass properties having a certain mean and a standard deviation using the SFEM. The analyzed response variability shows that the necessity of probabilistic stability analysis of underground structures using reliable mean value and standard deviation of deformation modulus.
The expanding technique of the Stochastic Finite Element Method(SFEM) is proposed in this paper for adapting direct integration methods in stochastical dynamic analysis of structures. Grafting the direct integration methods and the SFEM together, one can deal with nonlinear structures and nonstationary process problems without any restriction. The stochastical central diffrence and stochastic Houbolt methods are introduced to show the expanding technique, and their adaptabilities are discussed. Results computed by the proposed method (the Stochastic Finite Element Method in Dynamics: SFEMD) for two degree-of-free- dom system are compared with those obtained by Monte Carlo Simulation.
일반적으로 암반의 물성은 암반이 가지고 있는 불확실성이란 특성 때문에 하나의 대표치로 표현되는 것보다는 어느 정도의 분산성을 포함하는 값으로 표현되는 것이 타당하다. 이러한 특성은 지하구조물 설계에 중요한 부분이지만 아직까지 잘 정립되지 못한 부분이다. 확률유한요소법은 결정론적 유한요소법에 대비되는 말로써 구조계의 불확실성을 해석에 반영하기 위해 개발된 방법이다. 따라서, 이 방법을 이용하면 구조계의 응답 변화도를 얻을 수 있고 이를 통하여 확률적 안정성 분석이 이루어 질 수 있다. 본 연구에서는 암반물성(변형계수)을 평균과 표준편차로 정의되는 확률변수로 표현하여 정수압상태의 암반에 원형공동이 굴착될 경우 변위의 응답변화도를 분석하였다. 분석된 변위의 응답변화도는 변형계수의 표준편차에 따라 상당한 편차를 보이고 있어 신뢰성 있는 변형계수의 평균과 표준편차를 이용한 지하구조물의 확률적 안정성 분석이 이루어져야 할 필요성을 보여주고 있다.
International Journal of Aerospace System Engineering
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제6권2호
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pp.1-10
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2019
In this paper, the probabilistic free vibration analysis of a geometrically coupled cantilever wing with uncertain material properties is carried out using stochastic finite element (SFEM) based on first order perturbation technique. Here, both stiffness and damping of the system are considered as random parameters. The bending and torsional rigidities are assumed as spatially varying second order Gaussian random fields and represented by Karhunen Loeve (K-L) expansion. Here, the expected value, standard deviation, and probability distribution of random natural frequencies and damping ratios are computed. The results obtained from the present approach are also compared with Monte Carlo simulations (MCS). The results show that the uncertain bending rigidity has more influence on the damping ratio and frequency of modes 1 and 3 while uncertain torsional rigidity has more influence on the damping ratio and frequency of modes 2 and 3.
The main idea behind the paper is to present two alternative methods of homogenization of the heat conduction problem in composite materials, where the heat conductivity coefficients are assumed to be random variables. These two methods are the Monte-Carlo simulation (MCS) technique and the second order perturbation second probabilistic moment method, with its computational implementation known as the Stochastic Finite Element Method (SFEM). From the mathematical point of view, the deterministic homogenization method, being extended to probabilistic spaces, is based on the effective modules approach. Numerical results obtained in the paper allow to compare MCS against the SFEM and, on the other hand, to verify the sensitivity of effective heat conductivity probabilistic moments to the reinforcement ratio. These computational studies are provided in the range of up to fourth order probabilistic moments of effective conductivity coefficient and compared with probabilistic characteristics of the Voigt-Reuss bounds.
This paper considers the solution of the stochastic differential equations (SDEs) with random operator and/or random excitation using the spectral SFEM. The random system parameters (involved in the operator) and the random excitations are modeled as second order stochastic processes defined only by their means and covariance functions. All random fields dealt with in this paper are continuous and do not have known explicit forms dependent on the spatial dimension. This fact makes the usage of the finite element (FE) analysis be difficult. Relying on the spectral properties of the covariance function, the Karhunen-Loeve expansion is used to represent these processes to overcome this difficulty. Then, a spectral approximation for the stochastic response (solution) of the SDE is obtained based on the implementation of the concept of generalized inverse defined by the Neumann expansion. This leads to an explicit expression for the solution process as a multivariate polynomial functional of a set of uncorrelated random variables that enables us to compute the statistical moments of the solution vector. To check the validity of this method, two applications are introduced which are, randomly loaded simply supported reinforced concrete beam and reinforced concrete cantilever beam with random bending rigidity. Finally, a more general application, randomly loaded simply supported reinforced concrete beam with random bending rigidity, is presented to illustrate the method.
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.
This paper provides a new technique for solving the static analysis of arbitrarily shaped composite plates by using Strong Formulation Finite Element Method (SFEM). Several papers in literature by the authors have presented the proposed technique as an extension of the classic Generalized Differential Quadrature (GDQ) procedure. The present methodology joins the high accuracy of the strong formulation with the versatility of the well-known Finite Element Method (FEM). The continuity conditions among the elements is carried out by the compatibility or continuity conditions. The mapping technique is used to transform both the governing differential equations and the compatibility conditions between two adjacent sub-domains into the regular master element in the computational space. The numerical implementation of the global algebraic system obtained by the technique at issue is easy and straightforward. The main novelty of this paper is the application of the stress and strain recovery once the displacement parameters are evaluated. Computer investigations concerning a large number of composite plates have been carried out. SFEM results are compared with those presented in literature and a perfect agreement is observed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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