Time variant reliability model updating in instrumented dynamical systems based on Girsanov’s transformation

The problem of updating the reliability of instrumented structures based on measured response under random dynamic loading is considered. A solution strategy within the framework of Monte Carlo simulation based dynamic state estimation method and Girsanov’s transformation for variance reduction is developed. For linear Gaussian state space models, the solution is developed based on continuous version of the Kalman filter, while, for non-linear and (or) non-Gaussian state space models, bootstrap particle filters are adopted. The controls to implement the Girsanov transformation are developed by solving a constrained non-linear optimization problem. Numerical illustrations include studies on a multi degree of freedom linear system and non-linear systems with geometric and (or) hereditary non-linearities and non-stationary random excitations.

Global Response Sensitivity Analysis of Randomly Excited Dynamic Structures

The response of structural dynamical systems excited by multiple random excitations is considered. Two new procedures for evaluating global response sensitivity measures with respect to the excitation components are proposed. The first procedure is valid for stationary response of linear systems under stationary random excitations and is based on the notion of Hellinger's metric of distance between two power spectral density functions. The second procedure is more generally valid and is based on the l2 norm based distance measure between two probability density functions. Specific cases which admit exact solutions are presented, and solution procedures based on Monte Carlo simulations for more general class of problems are outlined. Illustrations include studies on a parametrically excited linear system and a nonlinear random vibration problem involving moving oscillator-beam system that considers excitations attributable to random support motions and guide-way unevenness. (C) 2015 American Society of Civil Engineers.

Internal resonance of an L-shaped beam with a limit stop .2. Forced vibration

A limit stop is placed at the elbow of an L-shaped beam whose linear natural frequencies are nearly commensurable. As a result of this hardening device the non-linear system exhibits multiple internal resonances, which involve various degree of coupling between the first five modes of the beam in free vibration. A point load is so placed as to excite several modes and the resulting forced vibration is examined. In the undamped case, three in-phase and two out-of-phase solution branches have been found. The resonance curve is extremely complicated, with multiple branches and interactions between the first four modes. The amplitudes of the higher harmonics are highly influenced by damping, the presence of which can effectively attenuate internal resonances. Consequently parts of the resonance curve may be eliminated, with the resulting response comprising different distinctive branches. (C) 1996 Academic Press Limited

Parallel Fully-Implicit Computation of MHD Acceleration Experiments

A three-dimensional MHD solver is described in the paper. The solver simulates reacting flows with nonequilibrium between translational-rotational, vibrational and electron translational modes. The conservation equations are discretized with implicit time marching and the second-order modified Steger-Warming scheme, and the resulted linear system is solved iteratively with Newton-Krylov-Schwarz method that is implemented by PETSc package. The results of convergence tests are plotted, which show good scalability and convergence around twice faster when compared with the DPLR method. Then five test runs are conducted simulating the experiments done at the NASA Ames MHD channel, and the calculated pressures, temperatures, electrical conductivity, back EMF, load factors and flow accelerations are shown to agree with the experimental data. Our computation shows that the electrical conductivity distribution is not uniform in the powered section of the MHD channel, and that it is important to include Joule heating in order to calculate the correct conductivity and the MHD acceleration.

Experimentally Determined Flame Properties near Flammability Limits Under Gravity and Microgravity Conditions

Flammability limits for flames propagating in a rich propane/air mixture under gravity conditions appeared to be 6.3% C3H8 for downward propagation and 9.2% C3H8 for upward propagation. Different limits might be explained by the action of preferential diffusion of the deficient reactant (Le < 1) on the limit flames, which are in different states of instability. In one of the previous studies, the flammability limits under microgtravity conditions were found to be between the upward and downward limits obtained in a standard flammability tube under normal gravity conditions. It was found in those experiments that there are two limits under microgravity conditions: one indicated by visible flame propagation and another indicated by an increase of pressure without observed flame propagation. These limits were found to be far behind the limit for downward-propagating flame at 1 g (6.3% C3H8) and close to the limit for upward-propagating flame at 1 g (9.2% C3H8). It was decided in the present work to apply a special schlieren system and instant temperature measuring system for drop tower experiments to observe combustion development during propagation of the flame front. A small cubic closed vessel (inner side, 9 cm 9 cm 9 cm) with schlieren quality glass windows were used to study limit flames under gravity and microgravity conditions. Flame development in rich limit mixtures, not visible in previous experiments under microgravity conditions for strait photography, was identified with the use of the schlieren method and instant temperature measuring system. It was found in experiments in a small vessel that there is practically no difference in flammability limits under gravity and microgravity conditions. In this paper, the mechanism of flame propagation under these different conditions is systematically studied and compared and limit burning velocity is estimated.

Conformal geometry processing

This thesis introduces fundamental equations and numerical methods for manipulating surfaces in three dimensions via conformal transformations. Conformal transformations are valuable in applications because they naturally preserve the integrity of geometric data. To date, however, there has been no clearly stated and consistent theory of conformal transformations that can be used to develop general-purpose geometry processing algorithms: previous methods for computing conformal maps have been restricted to the flat two-dimensional plane, or other spaces of constant curvature. In contrast, our formulation can be used to produce---for the first time---general surface deformations that are perfectly conformal in the limit of refinement. It is for this reason that we commandeer the title Conformal Geometry Processing.

The main contribution of this thesis is analysis and discretization of a certain time-independent Dirac equation, which plays a central role in our theory. Given an immersed surface, we wish to construct new immersions that (i) induce a conformally equivalent metric and (ii) exhibit a prescribed change in extrinsic curvature. Curvature determines the potential in the Dirac equation; the solution of this equation determines the geometry of the new surface. We derive the precise conditions under which curvature is allowed to evolve, and develop efficient numerical algorithms for solving the Dirac equation on triangulated surfaces.

From a practical perspective, this theory has a variety of benefits: conformal maps are desirable in geometry processing because they do not exhibit shear, and therefore preserve textures as well as the quality of the mesh itself. Our discretization yields a sparse linear system that is simple to build and can be used to efficiently edit surfaces by manipulating curvature and boundary data, as demonstrated via several mesh processing applications. We also present a formulation of Willmore flow for triangulated surfaces that permits extraordinarily large time steps and apply this algorithm to surface fairing, geometric modeling, and construction of constant mean curvature (CMC) surfaces.

The steady-state response of multidegree-of-freedom systems with a spatially localized nonlinearity

This thesis is concerned with the dynamic response of a General multidegree-of-freedom linear system with a one dimensional nonlinear constraint attached between two points. The nonlinear constraint is assumed to consist of rate-independent conservative and hysteretic nonlinearities and may contain a viscous dissipation element. The dynamic equations for general spatial and temporal load distributions are derived for both continuous and discrete systems. The method of equivalent linearization is used to develop equations which govern the approximate steady-state response to generally distributed loads with harmonic time dependence.

The qualitative response behavior of a class of undamped chainlike structures with a nonlinear terminal constraint is investigated. It is shown that the hardening or softening behavior of every resonance curve is similar and is determined by the properties of the constraint. Also examined are the number and location of resonance curves, the boundedness of the forced response, the loci of response extrema, and other characteristics of the response. Particular consideration is given to the dependence of the response characteristics on the properties of the linear system, the nonlinear constraint, and the load distribution.

Numerical examples of the approximate steady-state response of three structural systems are presented. These examples illustrate the application of the formulation and qualitative theory. It is shown that disconnected response curves and response curves which cross are obtained for base excitation of a uniform shear beam with a cubic spring foundation. Disconnected response curves are also obtained for the steady-state response to a concentrated load of a chainlike structure with a hardening hysteretic constraint. The accuracy of the approximate response curves is investigated.

Equivalent differential equations for nonlinear dynamical systems

A technique for obtaining approximate periodic solutions to nonlinear ordinary differential equations is investigated. The approach is based on defining an equivalent differential equation whose exact periodic solution is known. Emphasis is placed on the mathematical justification of the approach. The relationship between the differential equation error and the solution error is investigated, and, under certain conditions, bounds are obtained on the latter. The technique employed is to consider the equation governing the exact solution error as a two point boundary value problem. Among other things, the analysis indicates that if an exact periodic solution to the original system exists, it is always possible to bound the error by selecting an appropriate equivalent system.

Three equivalence criteria for minimizing the differential equation error are compared, namely, minimum mean square error, minimum mean absolute value error, and minimum maximum absolute value error. The problem is analyzed by way of example, and it is concluded that, on the average, the minimum mean square error is the most appropriate criterion to use.

A comparison is made between the use of linear and cubic auxiliary systems for obtaining approximate solutions. In the examples considered, the cubic system provides noticeable improvement over the linear system in describing periodic response.

A comparison of the present approach to some of the more classical techniques is included. It is shown that certain of the standard approaches where a solution form is assumed can yield erroneous qualitative results.

Range of validity of the method of averaging

Sufficient conditions are derived for the validity of approximate periodic solutions of a class of second order ordinary nonlinear differential equations. An approximate solution is defined to be valid if an exact solution exists in a neighborhood of the approximation.

Two classes of validity criteria are developed. Existence is obtained using the contraction mapping principle in one case, and the Schauder-Leray fixed point theorem in the other. Both classes of validity criteria make use of symmetry properties of periodic functions, and both classes yield an upper bound on a norm of the difference between the approximate and exact solution. This bound is used in a procedure which establishes sufficient stability conditions for the approximated solution.

Application to a system with piecewise linear restoring force (bilinear system) reveals that the approximate solution obtained by the method of averaging is valid away from regions where the response exhibits vertical tangents. A narrow instability region is obtained near one-half the natural frequency of the equivalent linear system. Sufficient conditions for the validity of resonant solutions are also derived, and two term harmonic balance approximate solutions which exhibit ultraharmonic and subharmonic resonances are studied.

Stationary random response of multidegree-of-freedom systems

An approximate approach is presented for determining the stationary random response of a general multidegree-of-freedom nonlinear system under stationary Gaussian excitation. This approach relies on defining an equivalent linear system for the nonlinear system. Two particular systems which possess exact solutions have been solved by this approach, and it is concluded that this approach can generate reasonable solutions even for systems with fairly large nonlinearities. The approximate approach has also been applied to two examples for which no exact or approximate solutions were previously available.

Also presented is a matrix algebra approach for determining the stationary random response of a general multidegree-of-freedom linear system. Its derivation involves only matrix algebra and some properties of the instantaneous correlation matricies of a stationary process. It is therefore very direct and straightforward. The application of this matrix algebra approach is in general simpler than that of commonly used approaches.

Análise parcial dos custos do protocolo assistencial da Casa de Parto David Capistrano Filho/Município do Rio de Janeiro: contribuição da enfermagem obstétrica

Trata-se de um estudo de Avaliação Econômica Parcial cujo objeto é os custos diretos do protocolo assistencial da Casa de Parto David Capistrano Filho/RJ. O objetivo geral é realizar analise dos custos diretos assistenciais destinados ao ciclo gravídico puerperal na Casa de Parto David Capistrano Filho (CPDCF), situada no município do Rio de Janeiro. Os objetivos específicos deste estudo são: estimar o tipo e a quantidade dos recursos consumidos na execução do cuidado ao ciclo gravídico puerperal de acordo com o protocolo assistencial da CPDCF; analisar os custos diretos relacionados ao protocolo assistencial da CPDCF; comparar os custos avaliados no período da pesquisa ao orçamento municipal destinado a assistência das gestantes de baixo risco no mesmo período. O método utilizado foi a Avaliação de Economia em Saúde, a perspectiva adotada foi o Sistema Único de Saúde (SUS) como órgão gestor, foram avaliados os prontuário das gestantes que realizaram o pré-natal na CPDCF no ano de 2010, excluindo destes as que não pariram na unidade, computando um total de 161 prontuários. Na análise foi realizada a descrição dos custos diretos envolvidos na assistência ao ciclo gravídico puerperal, para isso, foram relacionados e contados os recursos utilizados, definidos como unidades de custo, para a assistência na CPDCF durante o pré-natal, trabalho de parto/parto e pós-parto, e posteriormente esses recursos foram valorados de acordo com as tabelas do Sistema de Gerência da Tabela de Procedimentos (SIGTAP), Medicamentos, Próteses e Materiais Especiais do Sistema Único de Saúde/Ministério da Saúde do Banco de Preços em Saúde (BPS) e da Secretaria Municipal de Saúde Defesa Civil/Rio de Janeiro (SMSDC/RJ). Os resultados apontaram que o custo do pré-natal por gestante foi de R$ 271,91, com prevalência de custos para os exames realizados no pré-natal. Em relação ao trabalho de parto e parto, os custos foram de R$ 352,50 por gestante, neste item os maiores custos foram com os recursos humanos. A pesquisa demonstrou que a CPDCF apresentou menor valor que o orçamento municipal destinado para o parto de acordo com a tabela do SIGTAP (R$ 443,40 a R$ 475,16). Apesar desses dados, e de acordo com o relato das diretoras, a CPDCF é ociosa, e esta influência pode ser negativa para os custos do parto. Em relação ao pós-parto foi avaliado o custo por binômio com uma média de custo de R$ 269,94, os maiores custos de pós-parto foram com os recursos humanos. O custo geral da assistência na CPDCF foi de R$ 894,36 por gestante, desse valor, 39,42% correspondeu aos custos com o parto, 30,40% correspondeu ao custo com o pré-natal e 30,18% com a assistência pós-natal. Para afirmar a eficiência e eficácia das ações na CPDCF, é preciso a realização de uma avaliação de economia em saúde completa; o trabalho de parto/parto foram os que mais representaram os custos; o custo do parto é menor que o valor orçado para o parto de baixo risco, mas medidas de ação sobre a ociosidade são necessárias, pois esta pode influenciar nos custos do parto.

Avaliação dos algoritmos de Picard-Krylov e Newton-Krylov na solução da equação de Richards

A engenharia geotécnica é uma das grandes áreas da engenharia civil que estuda a interação entre as construções realizadas pelo homem ou de fenômenos naturais com o ambiente geológico, que na grande maioria das vezes trata-se de solos parcialmente saturados. Neste sentido, o desempenho de obras como estabilização, contenção de barragens, muros de contenção, fundações e estradas estão condicionados a uma correta predição do fluxo de água no interior dos solos. Porém, como a área das regiões a serem estudas com relação à predição do fluxo de água são comumente da ordem de quilômetros quadrados, as soluções dos modelos matemáticos exigem malhas computacionais de grandes proporções, ocasionando sérias limitações associadas aos requisitos de memória computacional e tempo de processamento. A fim de contornar estas limitações, métodos numéricos eficientes devem ser empregados na solução do problema em análise. Portanto, métodos iterativos para solução de sistemas não lineares e lineares esparsos de grande porte devem ser utilizados neste tipo de aplicação. Em suma, visto a relevância do tema, esta pesquisa aproximou uma solução para a equação diferencial parcial de Richards pelo método dos volumes finitos em duas dimensões, empregando o método de Picard e Newton com maior eficiência computacional. Para tanto, foram utilizadas técnicas iterativas de resolução de sistemas lineares baseados no espaço de Krylov com matrizes pré-condicionadoras com a biblioteca numérica Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc). Os resultados indicam que quando se resolve a equação de Richards considerando-se o método de PICARD-KRYLOV, não importando o modelo de avaliação do solo, a melhor combinação para resolução dos sistemas lineares é o método dos gradientes biconjugados estabilizado mais o pré-condicionador SOR. Por outro lado, quando se utiliza as equações de van Genuchten deve ser optar pela combinação do método dos gradientes conjugados em conjunto com pré-condicionador SOR. Quando se adota o método de NEWTON-KRYLOV, o método gradientes biconjugados estabilizado é o mais eficiente na resolução do sistema linear do passo de Newton, com relação ao pré-condicionador deve-se dar preferência ao bloco Jacobi. Por fim, há evidências que apontam que o método PICARD-KRYLOV pode ser mais vantajoso que o método de NEWTON-KRYLOV, quando empregados na resolução da equação diferencial parcial de Richards.

Posicionamento aproximado do estado final para sistemas térmicos descritos pela equação do calor.

Neste trabalho, será considerado um problema de controle ótimo quadrático para a equação do calor em domínios retangulares com condição de fronteira do tipo Dirichlet é nos quais, a função de controle (dependente apenas no tempo) constitui um termo de fonte. Uma caracterização da solução ótima é obtida na forma de uma equação linear em um espaço de funções reais definidas no intervalo de tempo considerado. Em seguida, utiliza-se uma sequência de projeções em subespaços de dimensão finita para obter aproximações para o controle ótimo, o cada uma das quais pode ser gerada por um sistema linear de dimensão finita. A sequência de soluções aproximadas assim obtidas converge para a solução ótima do problema original. Finalmente, são apresentados resultados numéricos para domínios espaciais de dimensão 1.

Implementação paralela de um código de elementos finitos em 2D para as Equações de Navier-Stokes para fluidos incompressíveis com transporte de escalares.

O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados.

Construção de quadrados mágicos pelo método do passo uniforme

Lehmer (1929) analisa matematicamente o método do passo uniforme para construção de quadrados mágicos de ordem impar. Ele divide sua análise em várias etapas. Na primeira delas, envolvendo a discussão de condições necessárias e suficientes para o preenchimento do quadrado pelo método, o autor afirma que se dois números guardarem entre si uma certa relação, eles serão designados a ocupar a mesma célula do quadrado causando seu não preenchimento. A análise do preenchimento pelo método do passo uniforme envolve a resolução de um sistema linear módulo n. Nesse trabalho, discutimos o comportamento das soluções desse sistema quando o método falha no preenchimento. Como consequência, concluímos que números que guardam a relação mencionada nunca ocupam a mesma célula. A análise das condições necessárias e suficientes para obter quadrados mágicos segundo a definição de Lehmer (1929) envolve a resolução de equações de congruências lineares a duas variáveis. Nesse trabalho, detalhamos os resultados de Lehmer (1929). A análise das condições necessárias e suficientes para obtenção de quadrados mágicos, como são reconhecidos usualmente, também envolve a resolução de equações de congruências lineares a duas variáveis. Discutimos o comportamento das soluções dessas equações para obter diagonais principais mágicas. Como consequência, mostramos que diagonais principais mágicas são obtidas se e somente se as coordenadas iniciais guardarem certas relações