손상된 교량 거더의 보강

노혁천,강수태,김윤용 한국구조물진단유지관리공학회 2007 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.11 No.4

Stochastic finite element analysis of composite plates considering spatial randomness of material properties and their correlations

노혁천 국제구조공학회 2011 Steel and Composite Structures, An International J Vol.11 No.2

Considering the randomness of material parameters in the laminated composite plate, a scheme of stochastic finite element method to analyze the displacement response variability is suggested. In the formulation we adopted the concept of the weighted integral where the random variable is defined as integration of stochastic field function multiplied by a deterministic function over a finite element. In general the elastic modulus of composite materials has distinct value along an individual axis. Accordingly, we need to assume 5 material parameters as random. The correlations between these random parameters are modeled by means of correlation functions, and the degree of correlation is defined in terms of correlation coefficients. For the verification of the proposed scheme, we employ an independent analysis of Monte Carlo simulation with which statistical results can be obtained. Comparison is made between the proposed scheme and Monte Carlo simulation.

Variability of displacements and stresses at random variable state

노혁천,이필승,최창근 국제구조공학회 2009 Structural Engineering and Mechanics, An Int'l Jou Vol.31 No.6

다중 불확실 인수를 고려한 평판의 응답변화도 산정 정식화

노혁천,Noh, Hyuk-Chun 한국전산구조공학회 2007 한국전산구조공학회논문집 Vol.20 No.6

본 논문에서는 구조의 재료물성치와 기하학적 인수의 공간적 불확실성에 의한 구조 응답변화도 산정을 위한 정식화를 제안하였다. 정식화는 추계론적 유한요소해석의 해석법 중의 하나인 가중적분법을 기본으로 하였다. 해석 대상 구조는 전단변형을 포함하는 평판구조로서, 평판구조에 나타날 수 있는 불확실 인수로는 재료적 측면에서는 재료탄성계수와 포아송비가 있으며, 기하학적 인수로는 평판의 두께를 들 수 있다. 선형탄성 영역에서 선형성을 나타내는 재료탄성계수와는 달리 평판의 두께는 3차함수로 강성에 기여하고, 포아송비의 경우 분수의 형태로 강성에 기여하므로 직접적으로는 이를 추계론적 해석에 고려할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 적합행렬내의 포아송비를 Taylor전개하여 사용하였다. 제안된 정식화에 의한 결과는 기존 연구결과는 물론 몬테카를로 해석에 의한 결과와도 비교하여 제안한 정식화를 검증하였다. In this paper, we propose a stochastic finite element formulation which takes into account the randonmess in the material and geometrical parameters. The formulation is proposed for plate structures, and is based on the weighted integral approach. Contrary to the case of elastic modulus, plate thickness contributes to the stiffness as a third-order function. Furthermore, Poisson's ratio is even more complex since this parameter appears in the constitutive relations in the fraction form. Accordingly, we employ Taylor's expansion to derive decomposed stochastic field functions in ascending order. In order to verify the proposed formulation, the results obtained using the proposed scheme are compared with those in the literature and those of Monte Carlo analysis as well.

탄성계수의 불확실성에 의한 복합적층판 구조의 응답변화도

노혁천,Noh, Hyuk-Chun 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.4

본 연구에서는 역학적 특성이 우수하여 다양한 구조에 적용되고 있는 복합적층판에 대한 추계론적 유한요소해석 정식화를 제안한다. 정식화의 제시는 추계론적 수치해석기법 중 그 정확도가 매우 높은 것으로 알려져 있는 가중적분법에 기초하였다. 공간적 불확실성을 가지는 인수로는 두 재료축에 대한 탄성계수와 면내 전단탄성계수가 고려되었다. 이들 재료인수들은 독립적인 추계장함수로 모델링 되었으며, 이들 추계장이 구조거동에 미치는 영향은 지수함수형태의 자기 및 상호상관함수를 적용하여 산정하였다. 수치예제를 통하여 복합적층판이 등방성 및 이방성의 재료에 의한 판 구조에 비하여 거동의 변동계수가 낮음을 보여주었으며, 제안된 해석법의 검증을 위하여 몬테카를로 해석을 동시에 수행하고 그 결과를 상호 비교하였다. In this study, we suggest a stochastic finite element scheme for the probabilistic analysis of the composite laminated plates, which have been applied to variety of mechanical structures due to their high strength to weight ratios. The applied concept in the formulation is the weighted integral method, which has been shown to give the most accurate results among others. We take into account the elastic modulus and in-plane shear modulus as random. For individual random parameters, independent stochastic field functions are assumed, and the effect of these random parameters on the response are estimated based on the exponentially varying auto- and cross-correlation functions. Based on example analyses, we suggest that composite plates show a less coefficient of variation than plates of isotropic and orthotropic materials. For the validation of the proposed scheme, Monte Carlo analysis is also performed, and the results are compared with each other.

직교이방성 복합적층구조의 거동: 포아송비의 임의성에 의한 영향

노혁천,Noh, Hyuk-Chun 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.6

복합재료는 재료적, 역학적으로 뛰어난 특성을 가진 재료로서 엔지니어링분야의 많은 부분에 적용되고 있다. 특히 무게 대비 강성비가 높은 특성을 가지고 있으며 다양한 형상에 대한 성형성도 뛰어나다. 그러나 재료의 특성상 두 가지 재료를 조합하여 제작하는 복잡한 과정은 재료상수에 높은 임의성을 야기할 가능성이 있다. 본 연구에서는 재료상수 중 포아송비의 공간적 임의성을 고려한 추계론적 유한요소해석 정식화를 제시한다. 직교이방성 복합적층구조의 두 재료축에 대한 상호관계를 적용하여 두 재료축방향의 포아송비를 하나의 대표값으로 나타내었고, 이를 합력-변형률관계에 적용하였다. 이를 통하여 합력-변형률관계를 포아송비의 변동항의 수학적 표현인 추계장함수의 차수에 따라 분해된 형태로 유도하였고, 이를 정식화에 적용하여 응답분산계수를 제시하였다. 제시한 응답분산계수는 몬테카를로 해석의 결과와 비교하였다. Composite materials have been employed in the various engineering applications due to high mechanical performances including high strength-weight ratio and high degree of free formability. Due to complex manufacturing process, however, it can have intrinsic randomness in the material constants which affect the deterministic behavior of the composite structures. In this study, we suggest a formulation for stochastic finite element analysis considering the spatial randomness of Poisson's ratio. Considering the reciprocal relation between elastic moduli and Poisson's ratios in the two mutually orthogonal axes, one of two values of Poisson's ratio can be expressed in terms of the other. Using this, the relation between stress resultants and strains is derived in the ascending order of power of the stochastic field function, which can be directly used in the formulation to obtain the coefficient of variation of responses. The adequacy of the proposed scheme is demonstrated by comparison with the results of Monte Carlo analysis.

기능경사재료 변단면 보에서 축방향 탄성계수의 공간적 불확실성에 의한 응답변화도 평가

노혁천,Noh, Hyuk Chun 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.3

본 논문에서는 변단면 기능경사재료 보에서 중립면 탄성계수가 축방향을 따라 공간적 불확실성을 가질 경우에 대한 구조 응답변화도 산정을 위한 정식화에 대해 논한다. 기능경사재료는 두 이질재료의 체적비가 두께방향으로 연속적으로 변하며 고체화되는 과정으로 제작되는 재료로서 온도 및 응력 등에서 연속적인 변화를 가능하게 하여, 전통 복합재료에서 나타나는 층분리나 균열 발생 등이 제거되는 장점을 가지고 있다. 그러나 이론적으로 설정된 기능경사에 맞는 재료의 제작이 어려우며, 이에 따라 내재적인 불확실성을 가지고 있다. 이를 모사하기 위하여 중립면 탄성계수에서의 불확실성을 추계장으로 모델링하고, 추계적분에 의한 확률변수를 도입하여, 변위의 1, 2차모멘트를 산정할 수 있는 방법을 제시하였다. 제안된 해석 방법은 스펙트럼모사법을 적용한 몬테카를로 해석으로 검증하였다. 추계장의 상관관계거리에 따른 분산계수의 변화, 재료지수 및 기하인수가 변위의 분산계수에 미치는 영향 등을 고찰하였고, 몬테카를로 해석 대비 제안 해석법의 효율성에 대해서도 논하였다. In this paper, a scheme to evaluate the response variability for functionally graded material (FGM) beam with varying sectional area is presented. The randomness is assumed to appear in a spatial domain along the beam axis in the elastic modulus. The functionally graded material categorized as composite materials, however without the drawbacks of delamination and occurrence of cracks due to abrupt change in material properties between layers in the conventional composite materials. The functionally graded material is produced by the gradual solidification through thickness direction, which endows continuous variation of material properties, which makes this material performs in a smooth way. However, due to difficulties in tailoring the gradients, to have uncertainty in material properties is unavoidable. The elastic modulus at the center section is assumed to be random in the spatial domain along the beam axis. Introducing random variables, defined in terms of stochastic integration, the first and second moments of responses are evaluated. The proposed scheme is verified by using the Monte Carlo simulation based on the random samples generated employing the spectral representation scheme. The response variability as a function of correlation distance, the effects of material and geometrical parameters on the response variability are investigated in detail. The efficiency of the proposed scheme is also addressed by comparing the analysis time of the proposed scheme and MCS.

랜덤재료상수와 복합재료 평판의 거동

노혁천 한국복합신소재구조학회 2011 복합신소재구조학회 학술발표회 Vol.2011 No.04

In this study, the random material parameter, especially the Poisson's ratio is taken into account in the stochastic finite element formulation for composite laminate plate. Since the parameter is embedded into the constitutive relation in the fraction form, direct consideration of the parameter in the formulation is not ease. In order to overcome this difficulty, we applied the Taylor's expansion to the fraction form to obtain a series expansion in ascending order of stochastic field function. With this, the formulation that considers the randomness in the Poisson's ratio is established. The adequacy of the proposed formulation is observed by means of Monte Carlo simulation.

복합적층판의 변위 변동계수 산정을 위한 가중적분법

노혁천 한국복합신소재구조학회 2010 복합신소재구조학회논문집 Vol.1 No.2

탄성계수와 함께 포아송비는 구조의 거동을 결정하는 중요 구조인수중의 하나이다. 따라서 구조응답의 불확실성에 미치는 포아송비의 독립적 영향에 대한 평가가 필요하다. 본 연구에서는 포아송비의 불확실성이 복합적층판의 거동 에 미치는 영향을 산정하기 위한 정식화를 제안한다. 포아송비의 영향은 동일 차수인 임의인수의 영향을 포함하는 부행렬을 통하여 얻을 수 있으며, 이는 대상 인수의 평균을 중심으로 한 Taylor전개를 통하여 구할 수 있다. 제안 방법의 검증을 위하여 예제 평판을 해석하였고, 그 결과를 몬테카를로 해석에 의한 결과와 비교하였다. 두 방법을 통하여 얻은 결과는 상화 잘 일치하는 결과를 나타내어, 제안한 방법이 적절함을 제시하였다. In addition to the Young’s modulus, the Poisson’s ratio is also at the center of attention in the field stochastic finite element analysis since the parameters play an important role in determining structural behavior. Accordingly, the sole effect of this parameter on the response variability is of importance from the perspective of estimation of uncertain response. To this end, a formulation to determine the response variability in laminate composite plates due to the spatial randomness of Poisson’s ratio is suggested. The independent contributions of random Poisson’s ratiocan be captured in terms of sub-matrices which include the effect of the random parameter in the same order, which can be attained by using the Taylor’s series expansion about the mean of the parameter. In order to validate the adequacy of the proposed formulation, several example analyses are performed, and then the results are compared with Monte Carlo simulation (MCS). A good agreement between the suggested scheme and MCS is observed showing the adequacy of the scheme.

Plate Response Variability due to Triple Random Parameters

노혁천 대한토목학회 2011 KSCE JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING Vol.15 No.3

In this paper, we aim to propose a stochastic finite element formulation having a capability of considering triple random parameters, i.e. elastic modulus, Poisson’s ratio and thickness of plate, simultaneously in the evaluation of response variability of plates. The effects of cross-correlations between the three random parameters on the response variability are also observed. The generalized auto- and cross-correlation functions that are needed in the evaluation of response covariance are derived based on the general expression for the n-th moment of random variables. In order to demonstrate the adequacy of the proposed scheme, we employ a square plate with various boundary conditions as an example, and the results are compared with those given in the literature as well as with the results of Monte Carlo analysis.