Onderzoeksproject PA/31 (Onderzoeksactie PA)
Achtergrond en probleemstelling
Ontwerpprocedures voor bouwkundige en mechanische lastdragende constructies maken traditioneel gebruik van concepten die zijn gebaseerd op veiligheidsfactoren. Deze veiligheidsfactoren worden voorgeschreven als garantie dat onzekerheden op allerlei soorten parameters (grootte en aard van belastingen, materiaaleigenschappen, geometrie, randvoorwaarden, ...) de betrouwbaarheid van de constructie niet in het gedrang brengen. Deze aanpak dateert reeds van de vroege dagen waarin ontwerpverificaties alleen mogelijk waren met sterk benaderende handmatige berekeningen. Tegenwoordig is de eindige-elementenmethode (EEM) een gevestigde en krachtige techniek om het gedrag van een constructie te voorspellen met een gewenste graad van nauwkeurigheid. Nochtans blijft de techniek zuiver deterministisch, en de invloed van parameteronzekerheden wordt niet in rekening gebracht. Het nominale ontwerp dat in de EE-analyse wordt beschouwd, wordt door toepassing van veiligheidsfactoren omgevormd tot een hypothetisch extreem geval, waarop de verificatie dan is gebaseerd. Aspecten van onzekerheid komen voor in alle soorten van structureel ontwerp (statisch, dynamisch, ...) en ook in elke soort toepassing. Veiligheidsfactoren worden op een nogal forfaitaire manier opgelegd door normen en standaarden, en zij worden het meest gebruikt voor statische belastingsgevallen. In het ontwerp van ruimtetuigen en componenten van ruimtetuigen is dynamische analyse vaak doorslaggevend. Dit project richt zich daarom op de delen "ruimtevaart" en "normalisering" die in de oproep tot voorstellen vn DWTC zijn aangegeven.
Doelstellingen van het project
De doelstelling van dit project is de ontwikkeling van een consistente en bruikbare methode om het effect van parameteronzekerheden in rekening te brengen, door alleen reële fysische en geometrische eigenschappen van de constructie te gebruiken. Het consistent karakter betekent dat de methode moet worden ontwikkeld in een analytisch kader dat zo dicht mogelijk bij de bestaande EE-methoden aanleunt. Het bruikbaar karakter houdt in dat de gebruiker de methode moet kunnen toepassen zonder te beschikken over veel extra kennis naast de kennis van EE-methoden, en dat bovendien de rekentijd niet overdreven lang mag zijn. Het project richt zich zowel op statische als op dynamische ontwerpprocedures. De ontwikkelde methodes worden nadien toegepast om een fundementeel begrip op te bouwen van realistische ontwerpcriteria voor zowel statische als dynamische analyse, en om deze tenslotte te vergelijken met de bestaande ontwerpregels. Het project wordt succesvol beschouwd als reële problemen kunnen worden geanalyseerd, met meer dan 5 onzekere parameters, met een bereik van 10% van hun nominale waarde, in EE-modellen van tenminste 1000 knopen, en met een rekentijd die niet langer is dan 100 keer de tijd voor 1 deterministische analyse.
De methodiek van dit project
Monte Carlo Simulatie (MCS) is de meest gebruikte techniek voor niet-deterministische analyse. Hij is echter alleen toepasbaar als volledige statistische informatie over de verdeling van parameters beschikbaar is. Dit is in vele gevallen echter onwaar, bij voorbeeld wanneer de werkelijke verdeling van een parameter niet bekend is, of wanneer een parameter nog niet is vastgelegd op het ogenblik waarop de analyse moet uitgevoerd worden. Een beschrijving van parameters met vaaggetallen laat toe de probabilistische benadering te vervangen door een possibilistische, en de vereisten op beschikbaarheid van gegevens worden verzacht tot een kennis van extreme waarden. Het extreme geval van belasting wordt wel berekend. De kern van de ontwikkeling van de methodiek is een vage EE methode.
Het werkplan
De structuur van het werkplan bestaat uit 5 hoofdtaken, die elk zijn verdeeld in subtaken:
1. identificatie and quantificatie van werkelijke onzekerheden in typische constructies
2. ontwikkeling van een vaag eindige-elementenkader
3. ontwikkeling van een consistente methodiek om veiligheidsfactoren te bepalen voor statische structurele analyse
4. ontwikkeling van een consistente methodiek om dynamisch gedrag te modelleren in aanwezigheid van onzekere parameters
5. afleiding van richtlijnen om structureel gedrag te modelleren met onzekere parameters
Valorisatie van resultaten
De mogelijkheid om parameteronzekerheden in aanmerking te nemen opent verschillende mogelijkheden voor verbeterde ontwerpstandaarden en -procedures:
een fundamentele kennis van veiligheidsfactoren laat kleinere veiligheidsmarges toe, wat direct leidt tot geringere overdimensionering, en dus meer economische producten
de ontwerper zal de mogelijkheid hebben om een reeks producten te analyseren, zonder de noodzaak om herhaalde wijzigingen aan te brengen voor varianten van een product
virtuele ontwerpprocedures in bedrijven zullen worden verbeterd, met bijzondere voordelen voor gevallen met onzekerheden, waarbij toch een robuust ontwerp noodzakelijk is
De onderzoeksploeg en de gebruikerscommissie
De onderzoeksploeg telt 5 partners: het Wetenschappelijk en Technisch Centrum van de Metaalverwerkende nijverheid (CRIF-WTCM), het Wetenschappelijk en Technisch Centrum van de Bouwnijverheid (CSTC/WTCB/BBRI), de afdeling Bouwmechanica van de K.U.Leuven (KUL-BWM), de afdeling Productietechnieken, Machinebouw & Automatiseringvan de K.U.Leuven (KUL-PMA), en het Centre Spatiale de Liège (CSL). De gebruikerscommissie is zeer breed samengesteld, met vertegenwoordigers met uiteenlopende achtergronden (civiele techniek, werktuigkunde en ruimtevaarttechnologie), en in verschillende activiteiten (onderzoek, consulting, software-ontwikkeling, productie van componenten, en eindgebruikers). Ze hebben routine-ervaring met parameteronzekerheden en met ontwerpcriteria. Ze stellen praktische gegevens ter beschikking van de onderzoekspartners, en zij kunnen de resultaten van het project in praktijk brengen.
Static and dynamic design analysis procedures for structures with uncertain parameters : final report
Brussels : Federal Science Policy, 2007 (SP1833)
[Om te downloaden]
