SUPERVISOR
Peiman Mosaddegh,Saeed Behbahani
پیمان مصدق (استاد مشاور) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed Sadredin Mousavi
سیدصدرالدین موسوی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Uncertainty Analysis and Reliability Estimation Using Fuzzy Algebra
Output of an engineering system has a distribution due to its parameters uncertainty. Therefore, probability of failure will not be zero even by applying a high safety factor in a nominal design which cause some cases to fail in some given criterion after fabrication and test in the real world. Therefore, it is necessary to implement an uncertainty analysis and reliability estimation in order to achieve a certain level of reliability and probability of failure especially during the design of consequential systems. While many numerical methods have been developed for uncertainty propagation in probabilistic framework, much less has been discussed in the nonprobabilistic framework, which is important whenever one does not possess sufficient data or knowledge of the underlying systems. The main goal of this thesis is to apply fuzzy algebra to model uncertainty and their propagation through complex physical systems in order to quantify their effects on performance and reliability. The secondary goal of this thesis is to apply the proposed fuzzy approaches in time varying systems in order to assess their remaining life with a certain level of reliability. In particular, this thesis develops fuzzy numerical methods by modification of conventional ?-cut method with the aim of attaining high and reliable accuracy. ?-cut method is very efficient from computational effort points of view, but it has less accuracy in cases with high nonlinear effects and high mutual correlation between its parameters; In addition, estimation accuracy will not improve to a reliable level with the increase in mesh number of discretization. Therefore, implementation of ?-cut method is confined to several applications such as finite element analysis. Modified ?-cut method is proposed which is a fuzzy representation of discretized monte carlo approach in uncertainty quantification. Therefore, with the increase in the mesh number of discretization, estimated output distribution will tend to exact solution. Despite the ?-cut method, modified method discretized the input distribution in a partitioned way and uses different extension principle. Unfortunately, computational cost in the modified ?-cut method will exponentially increase with the increase in the number of uncertain input variables. Modified ?-cut method has a good accuracy and performance in systems which have little number of uncertain parameters as illustrated in several case studies in the thesis. Monte carlo simulation is applied on each problem and its results is considered as exact solution of the problem. Results of Modified ?-cut method is compared to ?-cut method and results obtained from monte carlo simulation as verification which shows that Modified ?-cut method increases the accuracy of estimation with increase in the computational cost reasonably. Then hybrid ?-cut method is proposed for analyzing systems with many uncertain parameters. The hybrid approach is based on two ?-cut method and modified ?-cut method. In this method, input parameters are divided into two groups due to their sensitivity and nonlinearity and discretized parameters combine in two inner and outer loop. The parameters with higher level of sensitivity will combine with modified ?-cut method in inner loop, and the parameters in the other group will combine with ?-cut method in outer loop. Finally results will combine and assemble using operators of modified ?-cut method. Hybrid ?-cut method has a good accuracy and performance in systems which have many uncertain parameters, but little number of uncertain parameters has a high level of sensitivity as illustrated in several case studies in the thesis. Results of Hybrid approach is compared with ?-cut method and monte carlo simulation as verification which shows that hybrid ?-cut method increases the accuracy of estimation with increase in the computational cost reasonably. In the end, application of fuzzy approaches on reliability analysis of systems varying with time is studied with the aim of estimation of remaining life time with a certain probability of failure. For this aim, a fatigue crack growth problem is considered and Estimated life is compared with the life obtained from monte carlo method and the results has a good agreement. Keywords: Uncertainty quantification, Reliability analysis, ?-cut method, Modified ?-cut method, Hybrid ?-cut method, Fuzzy algebra.
: عدم قطعیت های موجود در پارامترهای یک سیستم مهندسی باعث می شود که خروجی آن توزیعی آماری پیدا کند. در صورتی که طراحی سیستم بر اساس مقادیر نامی پارامترها انجام شود حتی با احتساب ضریب ایمنی بالا احتمال خرابی صفر نخواهد شد و ممکن است پس از ساخت و قرار گیری در شرایط واقعی مشاهده شود که معیارهای عملکردی مورد نظر در برخی از محصولات برآورده نشده است. بنابراین در طراحی سیستمهای حساس، لازم است تحلیل انتشار عدم قطعیت به منظور آنالیز قابلیت اطمینان و رسیدن به میزان خاص و معینی از احتمال خرابی انجام شود. تاکنون روش های عددی زیادی برای تحلیل انتشار عدم قطعیت در چهارچوب آماری مطرح شده است. استفاده از روش های آماری مستلزم در دسترس بودن اطلاعات کافی و شناخت کامل و صحیح رفتار سیستم است. در صورتی که اطلاعات موجود ناکافی و مبهم باشند و شناخت کافی از رفتار سیستم نداشته باشیم، نیازمند استفاده از تئوری فازی برای تحلیل این اطلاعات هستیم. هدف اصلی این پژوهش استفاده از تئوری مجموعه های فازی در تحلیل انتشار عدم قطعیت به منظور بررسی تأثیر آن بر کارایی و قابلیت اطمینان سیستم است. هدف دیگر نیز استفاده از روش های پیشنهاد شده در سنجش قابلیت اطمینان با زمان و تخمین عمر است. یکی از روش های عددی فازی متداول برای تحلیل عدم قطعیت روش برش های آلفا است. با وجود اینکه روش برش های آلفا از نظر هزینه محاسباتی بسیار به صرفه است؛ اما در مسائل غیر خطی که پارامترهای ورودی حساسیت زیادی داشته و تأثیرات متقابل آن ها زیاد است دقت پایینی دارد. مشکل دیگر این روش آن است که با ریزتر شدن گسسته سازی متغیرهای ورودی خروجی به پاسخ صحیح همگرا نخواهد شد. به همین جهت استفاده از این روش به مسائل کم اهمیت و به منظور تخمین از قابلیت اطمینان در چرخه طراحی محدود شده است. حجم محاسبات در این روش با افزایش تعداد متغیرهای ورودی به صورت نمایی افزایش می یابد. این روش برای مسائلی که پارامترهای دارای عدم قطعیت آن زیاد بوده ولی تعداد محدودی از آن ها حساسیت و اثرات متقابل بالا دارند مناسب است. طبق این روش پس از گسسته سازی متغیرهای ورودی، متغیرها به دو گروه حساس تر و معمولی تقسیم می شوند. سپس برای ترکیب متغیرهای حساس تر از روش برش های آلفا اصلاح شده و برای ترکیب متغیرهای با حساسیت کم تر از روش برش های آلفای متداول استفاده می شود. برای ترکیب دو دسته نیز از عملگرهای جبر فازی مورد استفاده در روش اصلاح شده استفاده می شود. دقت این روش برای تخمین خروجی در مسئله های با تعداد متغیرهای حساس و دارای تأثیرات متقابل زیاد کم می شود. در ادامه روش های پیشنهاد شده بر روی مسائل متنوع مهندسی پیاده شد. نتایج حاکی از آن بودند که روش های پیشنهاد شده با افزایش حجم محاسبات به میزان معقول، دقت تخمین را تا حد زیادی بالا برده و پاسخ قابل اطمینانی می دهد. در نهایت کاربرد روش های پیشنهاد شده در مسئله متغیر با زمان به کاربرده شد. بدین ترتیب با لحاظ کردن عدم قطعیت سیستم و خطای مدل تخمین رشد ترک، عمر باقی مانده سیستم با یک قابلیت اطمینان معین پیش بینی شد. نتایج با روش مونت کارلو مقایسه شده و تطابق آن ها نشان داده شد. کلمات کلیدی : تحلیل عدم قطعیت، آنالیز قابلیت اطمینان، روش برش های آلفا، روش برش های آلفای اصلاح شده، روش برش های آلفای ترکیبی، جبر فازی