مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

توسعه روش المان محدود طیفی تصادفی مرتبه بالا برای تحلیل عدم‌قطعیت‌های محیط‌های پیوسته دوبعدی

نویسندگان
دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
وجود عدم قطعیت مشخصات کمّی یک سامانه (مانند بارگذاری یا ضریب ارتجاعی یک سازه)، امری اجتناب‌ناپذیر بوده و بنابراین اثرات آن همواره موردتوجه مهندسین بوده است. در این میان، روش‌های عددی نقش به‌سزایی در مکانیک محاسباتی تصادفی دارند، به‌خصوص برای مسائل کاربردی که حل تحلیلی ندارند. در این مقاله، به توسعه المان‌های طیفی مرتبه بالای خانواده لوباتو در روش المان محدود طیفی تصادفی برای تحلیل اتفاقی محیط‌های پیوسته دوبعدی و بررسی عدم قطعیت مصالح پرداخته شده است. اثر شبکه و مرتبه توابع درون‌یابی در پاسخ این سازه‌ها مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. علاوه بر این، معادله انتگرالی فردهولم ناشی از بسط کارهیونن‌لُوِ توسط روش مذکور حل شده و اثر مرتبه المان و شبکه در آن‌ها نیز دیده شده است. روش مذکور نیازمند تعداد المان کمتری نسبت به روش المان محدود تصادفی استاندارد بوده و به‌ویژه در مسائل دینامیکی دارای دقت مناسب و ماتریس جرم قطری است. در ضمن، به‌کارگیری این المان‌های طیفی به همراه بسط کارهیونن‌‌لُوِ و چندجمله‌ای‌های آشوبی، منجر به تسریع فرایند محاسبه شده که این امر مشمول حل عددی معادله انتگرالی فردهولم نیز می‌گردد. در این پژوهش، مثال‌های مبنای الاستواستاتیکی و الاستودینامیکی تحلیل‌‌شده، به بررسی دقت این روش و تأثیر پارامترهای مورد بررسی می‌پردازد. نتایج حاکی از نقش المان‌های مرتبه بالا در سرعت، دقت و کارایی تحلیل دینامیکی و استاتیکی محیط‌های پیوسته است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Development of higher-order stochastic spectral finite element method for uncertainty analysis of 2D continua

نویسندگان English

Pooya Zakian
Naser Khaji
Tarbiat Modares University
چکیده English

Uncertainty inherently exists in quantity of a system’s parameters (e.g., loading or elastic modulus of a structure), and thus its effects have always been considered as an important issue for engineers. Meanwhile, numerical methods play significant role in stochastic computational mechanics, particularly for the problems without analytical solutions. In this article, spectral finite element method is utilized for stochastic spectral finite element analysis of 2D continua considering material uncertainties. Here, Lobatto family of higher order spectral elements is extended, and then influence of mesh configuration and order of interpolation functions are evaluated. Furthermore, Fredholm integral equation due to Karhunen Loève expansion is numerically solved through spectral finite element method such that different meshes and interpolation functions’ orders are also chosen for comparison and assessment of numerical solutions solved for this equation. This method needs fewer elements compared to the classic finite element method, and it is specifically useful in dynamic analysis as supplies desirable accuracy with having diagonal mass matrix. Also, these spectral elements accelerate the computation process along with Karhunen Loève and polynomial chaos expansions involving numerical solution of Fredholm integral equation. This research examines elastostatic and elastodynamic benchmark problems to demonstrate the effects of the undertaken parameters on accuracy of the stochastic analysis. Moreover, results demonstrate the effects of higher-order spectral elements on speed, accuracy and efficiency of static and dynamic analysis of continua.

کلیدواژه‌ها English

Spectral finite element
Stochastic mechanics
Polynomial chaos
Karhunen Loève expansion
Lobatto interpolation function