Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Santos, Bruno dos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33579
Resumo: In industrial sectors, the concept of damage tolerance is widely applied, assuming the existence of a crack that will eventually evolve and lead to the catastrophic failure of a component. Hence, it becomes necessary to monitor its evolution under working conditions. Consequently, linear elastic fracture mechanics provides numerous models seeking to describe crack growth. In this study, we explore the application of Willenborg’s variable amplitude stress models, including the original model, the generalized model, and the modified model. Since the crack propagation process is nonlinear and influenced by multiple factors, uncertainties in the model’s defining parameters are acknowledged. Therefore, the objective is to quantify the uncertainty of the crack propagation phenomenon. To achieve this, uncertainty modeling is carried out using random variables. Subsequently, the Monte Carlo simulation and Fast Crack Bounds methods are employed in conjunction to estimate the statistical moments of the stochastic process, namely, the “crack size.” The performance of the proposed approach is evaluated through the combination of Sequential Monte Carlo Simulation methods with fourth-order Runge-Kutta. To validate the proposed solution, four classical examples from fracture mechanics are employed. The results demonstrate the precision and efficiency of the Fast Crack Bounds methodology, with computational gains of at least 10280.95% over the RK4 solution and relative deviations of no more than 29.94%. These findings showcase the applicability and effectiveness of the Fast Crack Bounds method.
id UTFPR-12_134f8657ce7d953f907306f06de76a1f
oai_identifier_str oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/33579
network_acronym_str UTFPR-12
network_name_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository_id_str
spelling Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte CarloUncertainty quantification of Willenborg's models using the Fast Crack Bounds - Monte Carlo methodMonte Carlo, Método deMecânica da fraturaFalhas estruturaisModelos matemáticosProcesso estocásticoMetais - FadigaDeformações e tensõesConfiabilidade (Engenharia) - Métodos estatísticosMonte Carlo methodFracture mechanicsStructural failuresMathematical modelsStochastic processesMetals - FatigueStrains and stressesReliability (Engineering) - Statistical methodsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOSEngenharia MecânicaIn industrial sectors, the concept of damage tolerance is widely applied, assuming the existence of a crack that will eventually evolve and lead to the catastrophic failure of a component. Hence, it becomes necessary to monitor its evolution under working conditions. Consequently, linear elastic fracture mechanics provides numerous models seeking to describe crack growth. In this study, we explore the application of Willenborg’s variable amplitude stress models, including the original model, the generalized model, and the modified model. Since the crack propagation process is nonlinear and influenced by multiple factors, uncertainties in the model’s defining parameters are acknowledged. Therefore, the objective is to quantify the uncertainty of the crack propagation phenomenon. To achieve this, uncertainty modeling is carried out using random variables. Subsequently, the Monte Carlo simulation and Fast Crack Bounds methods are employed in conjunction to estimate the statistical moments of the stochastic process, namely, the “crack size.” The performance of the proposed approach is evaluated through the combination of Sequential Monte Carlo Simulation methods with fourth-order Runge-Kutta. To validate the proposed solution, four classical examples from fracture mechanics are employed. The results demonstrate the precision and efficiency of the Fast Crack Bounds methodology, with computational gains of at least 10280.95% over the RK4 solution and relative deviations of no more than 29.94%. These findings showcase the applicability and effectiveness of the Fast Crack Bounds method.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Nos setores industriais, o conceito de tolerância a danos é amplamente aplicado, assumindo a existência de uma trinca que eventualmente evoluirá levando a falha catastrófica do componente, tornando-se necessário o acompanhamento e monitoramento de sua evolução em situação de trabalho. Desta forma, a mecânica da fratura linear elástica fornece inúmeros modelos buscando descrever o crescimento de trinca, neste estudo, apresentou-se a utilização dos modelos de amplitude de tensão variável desenvolvidos por Willenborg, o modelo original, o modelo generalizado e o modelo modificado. Visto que o processo de propagação de trinca é não linear e determinado por inúmeros fatores, admite-se a existência da incerteza nos parâmetros de definição do modelo, tendo assim como objetivo a quantificação da incerteza do fenômeno de propagação de trincas. Para tal fim, a modelagem da incerteza foi realizada por intermédio das variáveis aleatórias e, a partir disso, os métodos de simulação de Monte Carlo e Fast Crack Bounds foram utilizados conjuntamente para se estimar os momentos estatísticos do processo estocástico “tamanho de trinca”. O desempenho da proposta foi avaliado a partir da combinação dos métodos de simulação de Monte Carlo com Runge-Kutta de quarta ordem. Assim, utilizou-se de quatro exemplos clássicos da mecânica da fratura para explorar a precisão e a eficiência da solução proposta. O trabalho identificou que a razão computacional obtida pelo Fast Crack Bounds foi de 10280,95% menor ao calculado pelo Runge-Kutta de quarta ordem, com desvios relativos de no máximo 29,94%, demonstrando a aplicabilidade e eficácia do método.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRSilva Júnior, Claudio Roberto ávila dahttps://orcid.org/0000-0001-8662-9771http://lattes.cnpq.br/9248567058033141Silva Júnior, Claudio Roberto Ávila dahttps://orcid.org/0000-0001-8662-9771http://lattes.cnpq.br/9248567058033141Pintaúde, Giuseppehttps://orcid.org/0000-0001-8215-4481http://lattes.cnpq.br/1793127692371314Belo, Ivan Mourahttps://orcid.org/0000-0002-3266-8502http://lattes.cnpq.br/3205666335316946Silva Neto, João Morais dahttps://orcid.org/0000-0002-7007-692Xhttp://lattes.cnpq.br/3326147444101514Machado Junior, Waldir Marianohttps://orcid.org/0000-0001-6722-6600http://lattes.cnpq.br/8440440966828582Santos, Bruno dos2024-03-11T19:55:07Z2024-03-11T19:55:07Z2023-10-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfSANTOS, Bruno dos. Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33579porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2024-03-12T06:08:04Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/33579Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2024-03-12T06:08:04Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
dc.title.none.fl_str_mv Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
Uncertainty quantification of Willenborg's models using the Fast Crack Bounds - Monte Carlo method
title Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
spellingShingle Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
Santos, Bruno dos
Monte Carlo, Método de
Mecânica da fratura
Falhas estruturais
Modelos matemáticos
Processo estocástico
Metais - Fadiga
Deformações e tensões
Confiabilidade (Engenharia) - Métodos estatísticos
Monte Carlo method
Fracture mechanics
Structural failures
Mathematical models
Stochastic processes
Metals - Fatigue
Strains and stresses
Reliability (Engineering) - Statistical methods
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
Engenharia Mecânica
title_short Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
title_full Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
title_fullStr Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
title_full_unstemmed Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
title_sort Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
author Santos, Bruno dos
author_facet Santos, Bruno dos
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Silva Júnior, Claudio Roberto ávila da
https://orcid.org/0000-0001-8662-9771
http://lattes.cnpq.br/9248567058033141
Silva Júnior, Claudio Roberto Ávila da
https://orcid.org/0000-0001-8662-9771
http://lattes.cnpq.br/9248567058033141
Pintaúde, Giuseppe
https://orcid.org/0000-0001-8215-4481
http://lattes.cnpq.br/1793127692371314
Belo, Ivan Moura
https://orcid.org/0000-0002-3266-8502
http://lattes.cnpq.br/3205666335316946
Silva Neto, João Morais da
https://orcid.org/0000-0002-7007-692X
http://lattes.cnpq.br/3326147444101514
Machado Junior, Waldir Mariano
https://orcid.org/0000-0001-6722-6600
http://lattes.cnpq.br/8440440966828582
dc.contributor.author.fl_str_mv Santos, Bruno dos
dc.subject.por.fl_str_mv Monte Carlo, Método de
Mecânica da fratura
Falhas estruturais
Modelos matemáticos
Processo estocástico
Metais - Fadiga
Deformações e tensões
Confiabilidade (Engenharia) - Métodos estatísticos
Monte Carlo method
Fracture mechanics
Structural failures
Mathematical models
Stochastic processes
Metals - Fatigue
Strains and stresses
Reliability (Engineering) - Statistical methods
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
Engenharia Mecânica
topic Monte Carlo, Método de
Mecânica da fratura
Falhas estruturais
Modelos matemáticos
Processo estocástico
Metais - Fadiga
Deformações e tensões
Confiabilidade (Engenharia) - Métodos estatísticos
Monte Carlo method
Fracture mechanics
Structural failures
Mathematical models
Stochastic processes
Metals - Fatigue
Strains and stresses
Reliability (Engineering) - Statistical methods
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
Engenharia Mecânica
description In industrial sectors, the concept of damage tolerance is widely applied, assuming the existence of a crack that will eventually evolve and lead to the catastrophic failure of a component. Hence, it becomes necessary to monitor its evolution under working conditions. Consequently, linear elastic fracture mechanics provides numerous models seeking to describe crack growth. In this study, we explore the application of Willenborg’s variable amplitude stress models, including the original model, the generalized model, and the modified model. Since the crack propagation process is nonlinear and influenced by multiple factors, uncertainties in the model’s defining parameters are acknowledged. Therefore, the objective is to quantify the uncertainty of the crack propagation phenomenon. To achieve this, uncertainty modeling is carried out using random variables. Subsequently, the Monte Carlo simulation and Fast Crack Bounds methods are employed in conjunction to estimate the statistical moments of the stochastic process, namely, the “crack size.” The performance of the proposed approach is evaluated through the combination of Sequential Monte Carlo Simulation methods with fourth-order Runge-Kutta. To validate the proposed solution, four classical examples from fracture mechanics are employed. The results demonstrate the precision and efficiency of the Fast Crack Bounds methodology, with computational gains of at least 10280.95% over the RK4 solution and relative deviations of no more than 29.94%. These findings showcase the applicability and effectiveness of the Fast Crack Bounds method.
publishDate 2023
dc.date.none.fl_str_mv 2023-10-18
2024-03-11T19:55:07Z
2024-03-11T19:55:07Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv SANTOS, Bruno dos. Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33579
identifier_str_mv SANTOS, Bruno dos. Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
url http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33579
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
publisher.none.fl_str_mv Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron:UTFPR
instname_str Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron_str UTFPR
institution UTFPR
reponame_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
collection Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
repository.mail.fl_str_mv riut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.br
_version_ 1850498258523127808