Xie, Junyao;Zhang, Lu;Zheng, Qian;Liu, Xiaoben;Dubljevic, Stevan;Zhang, Hong
Earthquakes and Structures
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v.20
no.1
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pp.109-122
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2021
Significant progress in the oil and gas industry advances the application of pipeline into an intelligent era, which poses rigorous requirements on pipeline safety, reliability, and maintainability, especially when crossing seismic zones. In general, strike-slip faults are prone to induce large deformation leading to local buckling and global rupture eventually. To evaluate the performance and safety of pipelines in this situation, numerical simulations are proved to be a relatively accurate and reliable technique based on the built-in physical models and advanced grid technology. However, the computational cost is prohibitive, so one has to wait for a long time to attain a calculation result for complex large-scale pipelines. In this manuscript, an efficient and accurate surrogate model based on machine learning is proposed for strain demand prediction of buried X80 pipelines subjected to strike-slip faults. Specifically, the support vector regression model serves as a surrogate model to learn the high-dimensional nonlinear relationship which maps multiple input variables, including pipe geometries, internal pressures, and strike-slip displacements, to output variables (namely tensile strains and compressive strains). The effectiveness and efficiency of the proposed method are validated by numerical studies considering different effects caused by structural sizes, internal pressure, and strike-slip movements.
Performing high-fidelity computational fluid dynamics (HF-CFD) to predict the flow and heat transfer state of the coolant in the reactor core is expensive, especially in scenarios that require extensive parameter search, such as uncertainty analysis and design optimization. This work investigated the performance of utilizing a multi-fidelity reduced-order model (MF-ROM) in PWR rod bundles simulation. Firstly, basis vectors and basis vector coefficients of high-fidelity and low-fidelity CFD results are extracted separately by the proper orthogonal decomposition (POD) approach. Secondly, a surrogate model is trained to map the relationship between the extracted coefficients from different fidelity results. In the prediction stage, the coefficients of the low-fidelity data under the new operating conditions are extracted by using the obtained POD basis vectors. Then, the trained surrogate model uses the low-fidelity coefficients to regress the high-fidelity coefficients. The predicted high-fidelity data is reconstructed from the product of extracted basis vectors and the regression coefficients. The effectiveness of the MF-ROM is evaluated on a flow and heat transfer problem in PWR fuel rod bundles. Two data-driven algorithms, the Kriging and artificial neural network (ANN), are trained as surrogate models for the MF-ROM to reconstruct the complex flow and heat transfer field downstream of the mixing vanes. The results show good agreements between the data reconstructed with the trained MF-ROM and the high-fidelity CFD simulation result, while the former only requires to taken the computational burden of low-fidelity simulation. The results also show that the performance of the ANN model is slightly better than the Kriging model when using a high number of POD basis vectors for regression. Moreover, the result presented in this paper demonstrates the suitability of the proposed MF-ROM for high-fidelity fixed value initialization to accelerate complex simulation.
Reactor core transient calculation is very important for the reactor safety analysis, in which the kernel is neutron kinetics calculation by simulating the variation of neutron density or thermal power over time. Compared with the point kinetics method, the time-space neutron kinetics calculation can provide accurate variation of neutron density in both space and time domain. But it consumes a lot of resources. It is necessary to develop a surrogate model that can quickly obtain the temporal and spatial variation information of neutron density or power with acceptable calculation accuracy. This paper uses the time-varying characteristics of power to construct a time function, parameterizes the time-varying characteristics which contains the information about the spatial change of power. Thereby, the amount of targets to predict in the space domain is compressed. A surrogate method using the machine learning is proposed in this paper. In the construction of a neural network, the input is processed by a convolutional layer, followed by a fully connected layer or a deconvolution layer. For the problem of time sequence disturbance, a structure combining convolutional neural network and recurrent neural network is used. It is verified in the tests of a series of 1D, 2D and 3D reactor models. The predicted values obtained using the constructed neural network models in these tests are in good agreement with the reference values, showing the powerful potential of the surrogate models.
Cracks in plate-like structures are some of the main reasons for destruction of the entire structure. In this study, a novel two-stage methodology is proposed for damage detection of flexural plates using an optimized artificial neural network. In the first stage, location of damages in plates is investigated using curvature-moment and curvature-moment derivative concepts. After detecting the damaged areas, the equations for damage severity detection are solved via Bat Algorithm (BA). In the second stage, in order to efficiently reduce the computational cost of model updating during the optimization process of damage severity detection, multiple damage location assurance criterion index based on the frequency change vector of structures are evaluated using properly trained cascade feed-forward neural network (CFNN) as a surrogate model. In order to achieve the most generalized neural network as a surrogate model, its structure is optimized using binary version of BA. To validate this proposed solution method, two examples are presented. The results indicate that after determining the damage location based on curvature-moment derivative concept, the proposed solution method for damage severity detection leads to significant reduction of computational time compared with direct finite element method. Furthermore, integrating BA with the efficient approximation mechanism of finite element model, maintains the acceptable accuracy of damage severity detection.
Owing to the rapid growth in automated manufacturing systems, screening inspection becomes an attractive practice for removing nonconforming items, and it has been suggested that inspection will essentially become an inherent part of modem manufacturing processes. In this paper, we propose rectifying screening inspections which allow quality practitioners to use performance and surrogate variables interchangeably in real-time applications. Two screening inspections are considered; a statistically-based screening inspection to reduce the current proportion of nonconforming items to a specified AOQ(average outgoing quality) after screening, and an economically-based screening inspection where the tolerance limit is determined so that the expected total cost is minimized. It is assumed that the performance variable and the surrogate variable are jointly normally distributed. For two screening inspections, methods of finding the optimal solutions are presented and numerical examples are also given.
Optimum design of water distribution network(WDN) in many times means just reducing redundancy. Given only a few situations are taken into consideration for such design, WDN deprived of inherited redundancy may not work properly in some unconsidered cases. Quantifying redundancy and incorporating it into the optimal design process will be a way of overcoming just reduction of redundancy. Expected shortage is developed as a reliability surrogate in WDN. It is an indicator of the frequency, duration and severity of failure. Using this surrogate, Expected Shortage Optimization Model (ESOM) is developed. ESOM is tested with an example network and results are analyzed and compared with those from other reliability models. The analysis results indicate that expected shortage is a quantitative surrogate measure, especially, good in comparing different designs and obtaining tradeoff between cost and. reliability. In addition, compared other models, ESOM is also proved useful in optimizing WDN with reliability and powerful in controlling reliability directly in the optimization process, even if computational burden is high. Future studies are suggested which focus on how to increase applicability and flexibility of ESOM.
The heat transfer and pressure loss characteristics of a rotating two-pass channel with a guide vane in the turning region have been studied using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) analysis, and the shape of the guide vane has been optimized using surrogate modeling optimization technique. For the optimization, thickness, location and angle of the guide vanes have been selected as design variables. The objective function has been defined as a linear combination of the heat transfer and the friction loss related terms with a weighting factor. Latin hypercube sampling has been applied to determine the design points as design of experiments. A weighted-average surrogate model, PBA has been used as the surrogate model. The guide vane in the turning region does not influence the heat transfer in the first passage upstream of the turning region, but enhances largely the heat transfer in the turning region and the second passage. In an example of the optimization, the objective function has been increased by 13.6%.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.3
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pp.265-276
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2016
Energy systems working coherently in different conditions may not have a specific design which can provide optimal performance. A system working for a longer period at lower efficiency implies higher energy consumption. In this effort, a methodology demonstrated by a jet pump design and optimization via numerical modeling for fluid dynamics and implementation of an evolutionary algorithm for the optimization shows a reduction in computational costs. The jet pump inherently has a low efficiency because of improper mixing of primary and secondary fluids, and multiple momentum and energy transfer phenomena associated with it. The high fidelity solutions were obtained through a validated numerical model to construct an approximate function through surrogate analysis. Pareto-optimal solutions for two objective functions, i.e., secondary fluid pressure head and primary fluid pressure-drop, were generated through a multi-objective genetic algorithm. For the jet pump geometry, a design space of several design variables was discretized using the Latin hypercube sampling method for the optimization. The performance analysis of the surrogate models shows that the combined surrogates perform better than a single surrogate and the optimized jet pump shows a higher performance. The approach can be implemented in other energy systems to find a better design.
Group method of data handling (GMDH) is considered one of the earliest deep learning methods. Deep learning gained additional interest in today's applications due to its capability to handle complex and high dimensional problems. In this study, multi-layer GMDH networks are used to perform uncertainty quantification (UQ) and sensitivity analysis (SA) of nuclear reactor simulations. GMDH is utilized as a surrogate/metamodel to replace high fidelity computer models with cheap-to-evaluate surrogate models, which facilitate UQ and SA tasks (e.g. variance decomposition, uncertainty propagation, etc.). GMDH performance is validated through two UQ applications in reactor simulations: (1) low dimensional input space (two-phase flow in a reactor channel), and (2) high dimensional space (8-group homogenized cross-sections). In both applications, GMDH networks show very good performance with small mean absolute and squared errors as well as high accuracy in capturing the target variance. GMDH is utilized afterward to perform UQ tasks such as variance decomposition through Sobol indices, and GMDH-based uncertainty propagation with large number of samples. GMDH performance is also compared to other surrogates including Gaussian processes and polynomial chaos expansions. The comparison shows that GMDH has competitive performance with the other methods for the low dimensional problem, and reliable performance for the high dimensional problem.
Jet aviation fuel is one of liquid fuel which are used in aircraft engines. Korean domestic jet fuel, called Jet A-1, is tested for measurement of ignition delay time by using a shock tube manufactured recently. The temperature varies from 680 to 1250 K and the pressure and equivalence ratio of Jet A-1/air are fixed 20 atm and 1.0, respectively, for this experiment. The ignition delay time data of Jet A-1 are compared with those of Jet A, which has similar properties to Jet A-1. The behavior of negative-temperature-coefficient (NTC) is observed in the temperature range 750-900 K. In addition, ignition delay time of iso-octane is measured, which is one of the surrogate components for jet aviation fuel. The experimental data are compared and validated with the previous results from the literatures. A surrogate fuel for the present Jet A-1 consists of 45.2% n-dodecane, 32.1% iso-octane, and 22.7% 1,3,5-trimethylbenzene. The predicted ignition delay time for the surrogate agrees well with the measured one for Jet A-1.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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