In recent years, the finite element method has become one of the most popular numerical technique for obtaining solutions of engineering science problems. However, there exist various uncertainties in modeling the problems, such as the dimensions(geometry shape), the material properties, boundary conditions, etc. The consideration for the uncertainties inherent in the problems can be made by understanding the influences of uncertain parameters[1]. Determining the influences of uncertainties as statistical quantities using the standard finite element method requires enormous computing time, while the probabilistic finite element method is realized as an efficient scheme[2,3] yielding statistical solution with just a few direct computations. In this paper, a formulation of the probabilistic fluid-structure interaction problem accounting for the first order perturbation of geometric shape is derived, and especially probabilistical acoustic pressure scattering from the structure with surrounding fluid is focused on. In Section 2, governing equations for the fluid-structure problems are given. In Section 3, a finite element formulation, based on the functional, is presented. First order perturbation of geometric shape with randomness is incorporated into the finite element formulation in conjunction with discretization of the random fields in Section 4 and 5. Finally, the proposed formulation is applied to a acoustic pressure scattering problem from an infinitely long cylindrical shell structure with randomness of radial perturbation.
In order to take account of the statistical properties of random variables used in the structural analysis, the conventional approach usually adopts the safety factor based on past experiences for the qualitative assessment of structural safety problem. Recently, new approach based on the probabilistic concept has been applied to the assessment of structural safety in order to circumvent the difficulties of the conventional approach in choosing the appropriate safety factor. Thus, computer program called "Probabilistic finite element method" is developed by incorporation the probabilistic concept into the conventional matrix method in order to investigate the effects of the random variables on the final output of the structural analysis. From the comparison of some examples, it can be concluded that the PFEM developed in this study deals with consistently with the uncertainty of random variables and provides the rational tool for the assessment of structural safety of plane frame.
Finite element analyses have been performed for the purpose of obtaining the robust and reliable design of engine cylinder block. Fatigue under high cycle operating loads is a primary concern and is evaluated by a probabilistic method. The robust and reliable design by a probabilistic method can provide satisfactory design conditions for the performance of the system under the influence of noise factors. Therefore, the design by this method will be desensitized to the uncontrollable noise factors. The simple methodology evaluates the distortion of main bore is proposed for the purpose of maintaining a well-controlled clearance between the crankshaft and main bores. The proposed methodology has proven a capability of predicting the distortion of the main bore under assembly, thermal, and firing loads. The calculated results are correlated well with the experimental ones.
The objective of this work was to evaluate the ductile cracked structures with bonded composite patch used in probabilistic elastic plastic fracture mechanics subjected to tensile load. The finite element method is used to analyze the stress intensity factors for elastic case, the effect of cracks and the thickness of the patch ($e_r$) are presented for calculating the stress intensity factors. For elastic-plastic the Monte Carlo method is used to predict the distribution function of the mechanical response. According to the obtained results, we note that the stress variations are important factors influencing on the distribution function of (J/Je).
Composites exhibit larger dispersion in their material properties compared to conventional materials due to larger number of parameters associated with their manufacturing processes. A $C^0$ finite element method has been used for arriving at an eigenvalue problem using higher order shear deformation theory for initial buckling of laminated composite plates. The material properties have been modeled as basic random variables. A mean-centered first order perturbation technique has been used to find the probabilistic characteristics of the buckling loads with different edge conditions. Results have been compared with Monte Carlo simulation, and those available in literature.
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.
Structural vibration is a significant problem in many multi-part or multi-component assemblies. In aircraft industry, structures are composed of various fasteners, such as bolts, snap, hinge, weld or other fastener or connector (collectively "fasteners"). Due to these, prediction and design involving dynamic characteristics is quite complicated. However, the current state of the art does not provide an analytical tool to effectively predict structure's dynamic characteristics, because consideration of structural uncertainties (i.e. material properties, geometric tolerance, dimensional tolerance, environment and so on) is difficult and very small fasteners in the structure cause a huge amount of analysis time to predict dynamic characteristics using the FEM (finite element method). In this study, to resolve the current state of the art, a new approach is proposed using the FEM and probabilistic analysis. Firstly, equivalent elements are developed using simple element (e.g. bar, beam, mass) to replace fasteners' finite element model. Developed equivalent elements enable to explain static behavior and dynamic behavior of the structure. Secondly, probabilistic analysis is applied to evaluate the PDF (probability density function) of dynamic characteristics due to tolerance, material properties and so on. MCS (Monte-Carlo simulation) is employed for this. Proposed methodology offers efficiency of dynamic analysis and reality of the field as well. Simple plates joined by fasteners are taken as an example to illustrate the proposed method.
The goal of this study is to evaluate behavior uncertainties of structures by using interval finite element analysis based on interval factor method as a specific non-stochastic tool. The interval finite element method, i.e., interval FEM, is a finite element method that uses interval parameters in situations where it is not possible to get reliable probabilistic characteristics of the structure. The present method solves the uncertainty problems of a 2D solid structure, in which structural characteristics are assumed to be represented as interval parameters. An interval analysis method using interval factors is applied to obtain the solution. Numerical applications verify the intuitive effectiveness of the present method to investigate structural uncertainties such as displacement and stress without the application of probability theory.
The sensitivities of a structural response due to variation of its design parameters are prerequisite in the majority of the algorithms used for fundamental problems in engineering as system uncertainties, identification and probabilistic assessments etc. The paper presents the concept of probabilistic sensitivity of suspension bridges with respect to near-fault ground motion. In near field earthquake ground motions, large amplitude spectral accelerations can occur at long periods where many suspension bridges have significant structural response modes. Two different types of suspension bridges, which are Bosporus and Humber bridges, are selected to investigate the near-fault ground motion effects on suspension bridges random response sensitivity analysis. The modulus of elasticity is selected as random design variable. Strong ground motion records of Kocaeli, Northridge and Erzincan earthquakes are selected for the analyses. The stochastic sensitivity displacements and internal forces are determined by using the stochastic sensitivity finite element method and Monte Carlo simulation method. The stochastic sensitivity displacements and responses obtained from the two different suspension bridges subjected to these near-fault strong-ground motions are compared with each other. It is seen from the results that near-fault ground motions have different impacts stochastic sensitivity responses of suspension bridges. The stochastic sensitivity information provides a deeper insight into the structural design and it can be used as a basis for decision-making.
A stochastic Hamilton variational principle(SHVP) is formulated for dynamic problems of linear continuum. The SHVP allows incorporation of probabilistic distributions into the finite element analysis. The formulation is simplified by transformation of correlated random variables to a set of uncorrelated random variables through a standard eigenproblem. A procedure based on the Fourier analysis and synthesis is presented for eliminating secularities from the perturbation approach. In addition to, a method to analyse stochastic design sensitivity for structural dynamics is present. A combination of the adjoint variable approach and the second order perturbation method is used in the finite element codes. An alternative form of the constraint functional that holds for all times is introduced to consider the time response of dynamic sensitivity. The algorithms developed can readily be adapted to existing deterministic finite element codes. The numerical results for stochastic analysis by proceeding approach of cantilever, 2D-frame and 3D-frame illustrates in this paper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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