stochastic fi nite element method in the problems of - chodor
Transkrypt
stochastic fi nite element method in the problems of - chodor
Lesz•• k Chodor Pol,technika ~wię~okrzysl::a. Kielc~ STOCHA::.-rYCZHA METODA ELEMEN;:OW SKoNCZQNYCH W ZAGADNIENIACH LOSOWEJ MECHANIKI 1. Wprowadzen.l KONSTRUKCJI e Uniwersaln~ me~od~ rozwi~zywan~a zfozonycn zadań losowej mechaniki konst.r ukc j ; jes~ me~oda symulacji nUl11f!rycznej Cme~oda Mon~e Carlo). Własn. doświadczenia oraz analiza innych prac z ~~go zakresu (między innynd [1.2]) ż. wskazuJe. ze względu na wysolc~ r.~ezawodnoś~ kons~rukcji budowlanych zadawalaj~ce rezul~a~y można uzyska~ ~a me~od~ dopiero po wielu symulacyjnych losowaniach realizacji kons~rukcji Anali~yczne me~ody analizy probabilis~yczneJ prowadZa do skomplikowanych rachunków najczęściej musz~ b~ wspomagane Mimo wprowadzania licznych uproszczeń [2.3J. procedurami numerycznynd specjalizacji algor~mćw l - - ~ylko w najpros~szych przypadkach C"pryndtywna" l::ons~rukcja i mała liczba zmiennych losowych) cych wielkości Me~oda symulacji lyce udaje się obliczy~ para.';"'~ry s~atys~yczne in~eresiJj~- '"rozsądnym" nakładem i inżyn.ler-.ski.ej~ pracy. metody anali~yczne nle choć s~ szeroko znalazły zas~osowan1a w prak- wykorzystywane w st..udialnych. praca.ch Tymcza's •• m c.. ,eJ::~Y"'lzacja obliczeń projektowych może b~ osl~gni.t.a dopiero po opracowaniu oc:!eki·wanych so .••• .yc W 1nżynierskiej h z11u.enności ni nieJs:zej k.a.żdej pracy met.ody szacowania wi.lkoścl. z wartości wyst-ępuJ~cych zaproponowano inżyni ersK.Ą w me t. odę probabilistycznej. Met.oda ma dwie pods~awowe zaleŁy ~erow~. zwalnia więc ~.La.zY'-'.a.n.ia ob.li czerl niemal jest. jest.. wersJa.. r ok u na projek~anta nlewielkie- pracy [4~ STOCHASTYCZNA HUODA ZG8a.dr..t.e'ń dysla'f1#tyza.cji ~tod 'I#ł sł..osunlcu a jej st.ochastyczf)ej u2.yt.ek met.oay do C przy rachunKÓW obl~c'Zp.ń użyCt'ł...t Jest ~.... l może służyć 2) zwie-kszente Jest mEcn.ant.Jltl &nal izy a do rozczasu Met.oda opracowana., -skończonych l i rie-arvzacj w 1-984- st.ochast.yczna. sposob•• ", anaLizy tpote-~ajqcym sl'tończon.ycl't el.e~ntdlt} 10- Jest.met.odakompu- deter~nist.ycznyc.h. $/(f'NcZ;JNYC.H losowej numerycznej 1) pr.oblemó-w. elementć"" pods~.wC\ ELEHEI'rro...' Stocha.styC%l"\.e) iton.str'UJtcJl od zbędn)~~ prakt.ycznych wszyst.'lcich i obliczen1~ch. i na za.stosowan.iu probabttl5tycznyc~ na etapi. budo~y ukfacu. Zapre",ent.uJ.,my p1erwot.~ wwrsj. me~ody, kt.ór a dot.yczy syst..,mć.. kon- .st.rukeyjnycho. nie zmiennych' w czasie eh•• ral::~ .• ryst.ykachn~eza.wodnośe~owy::h. 2. Macierzowe Zadania oraz t.eorii innych równaniem sf'ormułowanie równań sprężyst.ości dziedzin me~ody 152 met.ody linearyzacji i plast.yczności. t.eorii mechanilci konst.rulccji można element6~ skończonych st.ochast.ycznej i st.at.eczności ująć z ulosowion)~ drgań konwencjonalnym zmiennynti CD gdzie lI<..,.jest. losowym losowym welct.orem :::miennych welct.orem zmiennych WYjściowych wejściowych Cwymuszeń) C odpowiedzi syst.emu cierz operatora sysŁemu ~ może zależeć od nieloso~go t go i losowego ••••• k t.or a l!(= (lR .l!( ay. 'J. zmi ennych spełnia syst.el"'-': równanie JeŚli J. .y. l!( gdzie Cszt. )"oTlości /podat.ności) . ). Y/ jest. Losowa jest. wekŁc,rem losowych konstrukcji (1). is~nieje odwrotna macierz to rozwiązanie ~-l, równania (1) można w po5Laci zapisać Y/=i'Cl!(. t). gdzie ma- parametru wektorowe- realizacja Każda a f'unkcja wekt.orowa ROWNANIA ot.rzymamy po liniowych w ogólności operat..ora rozwinięcia EY/ oraz macier::: w ot.oczeniu .•••• -a.rt.ości funkcji EYl~ f Cl!( .~) o C10'~ E w szereg • 07\ o > CE~ punlctu l!(o do st..ost.:n1cu 'VI Wart.ość Taylora. covY/ zmiennych ~I_~ + dowolnego oczekiwanej (2) Icowar'ianeji w::orow: ze n1eliniowa. st.ochast.ycznej zast.oso,..'aniu członów oczekiwaną oszacować C jest. LINEARYZACJI C2) wyjściowych można -l!( ). o C3aJ C3b) * gdzie gwiazdka lacji kans~rukcji oczek i wanym. więc jest najczęściej Najlepsze ot.r z ymac itf/'a'll. jes:'\.. operat..orem ~o =E~· r z ec z ywi s t.a a Wyst.ępuJące itr '" [COVX X ........ COVO\.= 1 c o vx 1 eovX X gdzie n jest. Yi= (Y,) covX 1 1"'\ ! r. wymlarem C;=l •..• "[ prot::;abi l i st.ycznym) zespcl.:JnCi (3): operator i VI popu- slanó~ oszacowani,,- pr ak t.yc zrryc b WPł.Y\!'U M/aY.'. MACIERZ bliskich C3) przypadkó,", spr-zężenia. można maci er-z ~ jest. równy oraz .>tACIERZE KO""ARIANC.JI W'!;p6.i::--::ędne: nast..ępuJCJ,ce ai\ e zespolonej. realiza:Je T. we wzorze .\ covY/ maja. macierzy się W więl:s:::ości nie operat.oro .••.. i t.ranspozycji cov~ sensi C'W dl ••. sprzężenia obserwuje af , 'dX , Z 1 ., ar s /<YX .rdX ćJf I, (4a) I M "' -'ax , M XZ co,,)( :l X X ~o~,>: 2 n x· j'I ". l nJ ""in: Vi CC·V(f= I' il !X.l C i=!._. /dl: y .::cvy Y l:i. l~o~Y' , weX~D:a i?.= rcovY r-, 1 y' m J al covY Y 1 m co ... ·!· Y 1 .. 1 ':"j.C4b) Z CCV_V Z ~n) a rr, _lest.. 1':"; 'WyJr.iar-em • v m J wekł..,.o:--2 rru. J MaCierz "'Pływu opisuje Moment.y ,;;t.at.yst.yczn. szacujemy bez pierwsz z ••lcł ••d,••n1a czułość wekt.ora ••go drugi ••go i lconk~.t.n.go rozkładu '9 na losowe zmiany r:;;ędt.1 :::miennych wekt~ora }A. wyjściowych prawdopodobieńst.wa YI walclor •• l!(. 3, Dyskret.yzacja Podobszary TAHI z losowo SKOŃCZO""ryHJ. konstrukcji, C2.e Pz nyrni r-ćwrrym jedności J es,t.- element.y :iq nfch. lU aXL.pz+ perni. l.A1 charakt.,erys'lyka a Xi w i b ~L~H~N- autoMr.lowan.e. Ps. ele- punkcie charakt.erystyki gdzie b)=l, skończone STOCHASTYCZHYHI nazwie~y l i ni o •••.•• ą funkcją •••••• i ęc pex".p.= e Leme-n- .... t..; ciara wraściwo~ct Losowe r- e s t yc z oeqc -st.oc - St.ochast.yczne o~ztarcatneeo jeśl.i pr-a .•.•. oopodobl.eńst,..,.,em m~r.t.u 153 X. , punk- "fi delerminislycz- są współczynnikarr.i. Założymy. element.ó", że model konst.rukcji skończonych za ..•.•. iera się tak. ~ całości że zost.ał każdy ~ jednym podzielony elemencie " (3) ~ <3) lo< (4) element.ow C6) eS) padkiem <1> (1) ~~ .... gu element.u ciwościami syst.em zasad podziału ~ięc uwzględnić ji Rys.l. St.ochast.yczny jest. element. <e> skończony POWIERZCHNI NIEDOSKONAŁ05cIAHI oraz t.aKimi niedosKonałościami można z jednego na element.y i 81e- konwencjonalnych wielkość Na rys.l z należy aut.okore1ac- pokazano przykład NIEDOSKONAŁOSCIAHI obarczony losowym kszt.ałt.em OBJĘTo5CI maŁer-I a Łu orazloso..-ymi t.ylko przy.lemen- ramy port.alowej. może być związanymi z wielu ()bok zasięg st.at.yst.ycznej. z rozłąeznych zbudowany ale Ce) elemenŁ Szczególnym konst.rukcji dyskret.yzacji Jeden złożony ment.u st.ochast.ycznego. (S:; Cimperfekcjami) może być Skończony <e>. konwencjonalnych. t.6w konwencjonalnych ( 7) (2) <1> N st.ochast.ycznych ele"lent. slochaslycznym st.ochast.yczny <3) na konwencjonalny siłami związanymi objęt.ościowymi. zesŁawić i z wynUarami brzelosowynU Zmienne w N podwekt.orach ~<.> właś- obarczone wekt.ora ~ &Y. W celu elast.ycznego uproszczenia st.erowania obliczeń liczbą numerycznych zapiszemy x \.=x \. . L U-u.u l . ff". gdzie 1.1.. jest. Xi nielosowym Przyjmiemy. wanych odpowiednio pot.ęgach nych loso..-ych Można układ6w miar z Biorąc pręt.owych można ności mat.eriału met.rycznych wst..pnych :te pod wszyst.kie miar . Jednost.ki w Xi w UKŁADZIE T o wart.ościach wyst.ępują od liczby można do liniowych st.ochast.ycz- wprowadzić członów zachodzi: uwagę miar korelacja) w 1) miar Wprowadzi~ czt.ery reszt.kowych. naprężeń l skr.-:eń - osi ehar ••kt.eryslyir:i moment.y bezwi ••dnoSci it.d.) układ EX;;; , wiele t.o rozwinięcia , x (mllcg"'s\. cov(X X-' ;;; są miar E<JX,/<JL",clt' tycznym wykonywania losowe eleu.nt.u. • 3) s tochas t.eehnologi. i i HIAR oczeki- w nielosowych element.ów elemencie w t.ym samym układzie p~łna ,,/o. rady przekroj6w. wyg'i~ ls H. lo Losowe 3.1. L, oczekiwanych J prętowej. X~ w poslaci (5) modułem wielkości dokładnością ;;; 'f"-v-a--r"<x",-''''v~a-r''''X:r-j (szacunkowo P:-zykł ad ora z T' W zalezności wart.ości X, sa. wyr'ażone i \. losową ay. syst.emu "że eS) wok6ł X lkg, losowych zmienną JEDNOSTK.I HIAR charakt.eryst.yk pok az ać jeśli są l. m, t.. korelacji jednomianu 2) 1m, całkowit.ych oraz bezwynriarowym LCSOWE że zmiennych układy W t.en geomet.ryczne s:oaeunkowo,w miar włas- charakt.eryst.yIc geo- ele~nt.u. 'przekroju pełni Q. 'założono ( L konst..rukeji •••. - układ miar sposób ltonstrw..cJ LI!' element.ów miar: o - Układ 'długośei I!'ll!'rnenc J {ml-lkg"'s'L pole' skorelowan.: - układ miar na przylcł ••d. powierzehn a , - 154 4.Szacowani. Het.ody Przykład u ~złów ocz ••ki .••• ane czymy z macierzy Przemieszczenia 4.1. mieszcz.ń szacowania sił IP~:~ z.", dla s oczelu",anych: z t vwrio ca ś e.lemenLu układzie w lokalnym oczekiwan. oraz element.u prz.wart.ości Ce) wyzna- (5J: skończonych k (.-) uee) C7a.b) "'." obei"żeń szt.ywności węzłowych .le IP • ' globalnej z v i przenueszczeń k'·) ••••nt.u obust.ronnie po )/( rÓwnania ot.rzymujemy (7) Dla problemo,"" nia lub nieliniowych •.""any ••"•. Przykład macierzy macierzy węzłów Cz~s!otliwości ~2 f... slat..cznoścl) L'·)~U +a. U zmianę Na przykład <e)] ~ O< jest C8 b) a. . konf"iguracji jeśli swobodnych/obciążenie dr6ań cz~t.ot.liwości oraz uwzgl~nić uporz"dkowan1u odniesie- f"unkcj" prz",- 1JłY./~)/( + 1JłY./~'.""/~)/(. t.c· c7(!«()/(.u)/m/!:- oczeklwane tycznego należy szt.ywności. po (.) C.) . ~k ~ Cl przykładach. ue.>, Różniczkuja,C mieszcz na Wart.ości element.ów (p(.) ~ : O<u pokażemy wsp6łrz~nych układzie m8t.ody zewnęt.rznych IY-. macier%y 8f/~~ przy..."zro..,... (siły przemieszczeniowej IP wpływu wpływu w globalnym syst.emu przywęzłowych ró •••.• ań - maci.rzy drgań s t.o .••• arzyszon. uzyskujemy swobodnych wektory ~ q Cf"or"", własne z rozwi"zania ~ytycz~. mnożnika uogólnionego Wart.oś- obej"żenia drgań/ kry- f"or"", probl.mu 'c' ~at.y ••łasnego .6J C9a.b) oczek i ",anych dla "'.-' IBCIP , linio_j mac r er z y l Po obust.ronnym maci.rzy geomet.rycznej pomnożeniu t.ych uporza,dkowaniuot.rzymujemy gdzie IB i do<ll /dX c \. 0<11zal.ży IJłY.Q/"X \. od IP Haci",r% Przykład 4.3. sztywno:!lc i pochodną Hmcl'1ms-Zm-1przy b'" [5) wynosi (przy wart.ości moduł p g~tość Wart~ci (.> -11m. EF' [ - F - qT • przeróżniczkowaniu i-t.e wsp6łrzędne clIB/"X \. + clIB/bIP po wekt.ora weW' . blP ",.\1 X , i wpływU: /"X. \. /"X. 1. .-~tora )/('·'''[H. dr~aj"cefJo przyj.t.o. że zapisu ]/Cl.L? b'·'=<pH prz.kroju sek ",' i nda met.r poprzecznego w układzie macierz 2 1 oznaczono .1 - m sa. bezwładności oczekiwanych )(FLZ)(lL?[ <> element.u J'.'T L na macierz l Wprowadzono jednost.k. losowa war·t.ości charakt.eryst.yk L m. osiowo. k'·' szt.ywności pole bezwładności jednost.ek): l]. Clla.b) 2 nast..puj"co długość element.u materiału. oczekiwan. 1ft'.' E "" y.v pr.ta czym ocz.kiwane Younga. dlB/dX - pominię-ciu l -l k'·'KCEH )CFL )[ m. <> .Iifp ",pry",,", ",,",cierz Z E w.v be••",radno':ci Losowa gdzie ,więc v." na 0<•••••• ci.rzy ). ...,.'" prz.z równań wyrażenla + IJłY.g /bIP n1",1 oso_. szt.ywności lK"CIP r ",,",cl.rzy wpływu 1 -1 : c: -2 l-l 1] -1 1 I -2 2: 1 -1 • wynosz,,: -.<.'~( E •• pFl [O O 14 2 121 O O '2 4 11 2: l' . Cl2a.b)· - 155 - 5. Przykłady liczbowe Przykład 5.1. Warto~ć' oczf9k.iwczna c ee s tot l. i \I.IOŚC i. osiowych u =0 u l 3 II P l ~, l l sa jednoczeŚnie 1-> (2) (D v.v I GPa, jednosŁek oczekiwanych A Oczeiti kg/m-o są i menŁu <1> wynosza: Współczynniki równe 5 V= y. częsŁoŁli wc':ć'i """ittor WCIna. oŁrzymujemy zmienności . Poniżej wszysŁkich pominięŁo macierzy oczekiwane macierze E(I(=[10 -5 -5 5 3 E . J'10 7 warŁości sŁopni swcbody u ' z 1.3]. EIB=[ 13.0 • 1. 3 oczekiwane macierze wpływu (lZ) odpowiadajace (N:n.1..>:L~1>: L~i.>1 N:nz>: L:2):L~z>l wynosz~: 2. 6 wekŁorowi 7 on:: 5 O !lO O :-5 O : 5 -5 10 -10 :-5 5 ] '10 • ., =[ O O ;-5 5 : -10 10 5 -5 iJ'If/. O O : O O . iJ(J1 E losowych zapis wpfywu. (11) dla nieŁrywialnych Zagregowane }f(.; ele- F=lOcmz, 1.=4m, jednosŁek miar. W wyniku agregacji u ocze- E=ZOOGPa, p=7900kg/m·; naŁomiasŁ elemenŁu <Z> wynosz~ : lz=cm. F=5 cmz• p=7800 miar kŁ6re konwen- kiwane losowych charakŁerYSŁyk Rys.c. E=ZOO <c>, elemenŁami cjonalnymi Cl), (c). WarŁości =0 Z • ~ « Crys.c). elemenŁy skończone <1>, ~ ~ naini1:$.%e) zmienT\OŚc i W5porniloo~~o PręŁ podzielono na dwa sŁochasŁyczne U Z ~ współ czynni,. dr~ań wfasnych pr.ta O O :ZO.8 =[ iJ'If/. O O : O O :10.4 O : O O O :5.Z O O :Z.6 O O 1.3 c.6 c.6 :Z.6 5.Z :1.3 l Na podsŁawie równań (9a) 1 CI0~) uzyskujemy: oczekiwaną częsŁoŁllwość drgań własnych Ew= 1617 [l/sJ odpowiadający oraz ",ekŁor wpływu EiJw/iJ'If/.=[ 765.8 B Wspófczynniiti Pr zy j <1 > ę <:I> korelacji . Hm. <2> Lo r. 1 sym Ponieważ dla dowolnej W kowariancji lab. l obliczono własny -118Z.4 4Z.7 [1 l.c361T -698.6 -434.71. dr~ań własnych. między elernenŁami ~_, w elemencie ~:l:: Ll 1 < > < • r t. ~ sym > - .-]<., ~ ~ Ll cov~= <2> współ czynnik i .. gdzie zmienności r e 1.0 O 0.5 O 5.5 Y. 5.5 % 5.15 "- 0.5 4..6 Y. 4.5 '" •••. 3 Y. 1.0 3.5 3.0 Y. 2.5 % '" V.Ju: =V t.o ~. ze wzoru C3b) dla wybranych war~ośc4 r_l r~ Z losowej jednosŁki miar J \L zachodzi: EJ u.=1, wynosi zest.awiono Tab.l. Eq= oraz w syst.emie ~ wynoszą: ~6=[~6 :-]:: ' ~:.,.<Z,=[ macierz wekŁor częstot liwości V", t.o, że współczynniki < Z> ~ i zmienności 698.6 . varw Przykłady W pracy prak~ycznego [41 me~'odę ni.Uniowych zas~osowano fizyczni Kons~rukcj. •• belek złożonĄ sił. W pracy [6] lizy ~~a~ecznOści z 156 - wykorzys~ania do elemenlów sposób z prę~ów 6. Podsumowanie, Przeds~awiona numerycznego mechaniki kons~rukcJi. komp~.ro_ liczby losowych 00 szacowania *ci zmi.nnych maże iSlniejĄce uzyskać do losowej programy me~odĄ elementów można służyć zadań skończonych. przez wprowa- miar. parame~rów s~a~ys~ycznych s~ochas~yczn~, zagadni.ń skończo"ych zmodyfikować syslemu ••"nym. inżynierskich konstrukcji losowych cienkości do ana- wnioski i elemenlów należy melodĄ kompu~erowego o przekroju złożonych do'analizy układów no lin.aryzacj. meloda dowolnie W ~ym celu przeznaczone Redukcj. dz.ni. s~ochas~yczna rozwiĄzywania poprzecznie. rozwiĄzywano programu uwagi [4,6]. s~a~ys~ycznych zginanych skończonych modyfikacji ram złożonych pracach para:me~rów sprężys~o-plast.ycznych belkowych pokazano me~ody.podano szacowania mechaniki k~óra wielkości jes~ wyjściowych zas~osowa- dokładna w większo- for Design 1972. : . Ci viI wys~arczaj~co budowli. Wylcaz li ~.ra~ury 1. St.ark N. R. , . .Nic hol l s Engin_ring Sys~.ms, 2. Ersvik O.: Honlinear Analysis Imperfec~ions" $wedish Counci,l 3. Cheder loso_J Krynica L.• Kowal belek lQ81 R. L.: Na~hema~ical Founda~ions McGr-aw':'Hi.ll Book Company, N. 'l. Z.: of Beam-cclumn S~ruc~ures and Influence for BUil'ding Research, Sl oc l:hol m, 1978. Teore~yczn~' oszacowanie in~egralnej nośności zginanych, XXVII Konf. 4. Cheder L.: ,Losowa nośność us~rojów s~ycznycn. Praca dok~orska, Inst. Bud. ~. Przemi.niecki BooIc Company, J.S.: H. Y. of Theory lQ138., ot: Na~rix O. 'Bijak R., Chedor L.: St.a~eczność *ci.nnych w uj~iu slochas~ycznej V Sympozjum s~aleczności kons~rukcji, Nauk'owa KILiW PAN i zginanych z PWr PRE 68/86, S~ruc~=-al KN PZITB uwzględnieniem Wrocław '1986. Analysis, sys~ ••m6w złożonych me~ody elementów Cedzyna 1988. sił '·jcGr-aw-Hill z pręlów cienl:o,skończonych. STOCHASTI C FI NI TE ELEMENTMETHOO I N 1lłE PROBLEHSOF RI.NDOM THEORYOF STRUCTURES Summary 4 v.rsion of lh. lII&ny .no;in_ring second is r ••~ 1IIO_nl .xplor'ed . cyst... s~ochas~ic proble_ ••••t.hod In ot which ord ••.. t.~ .__ ur_ t:ini~e oC- complex ga~ redue •• 1. elemenl a· good nough int.rocluced. me~hod which slruc~ures is val~alion t.he ,in number Ex&Jnples ar. will proposed. be ••n!;lineering ot: random ,shown. used for Firet-order problems variabllPs