Cylindrical shell structures buckle at service loads which are much lower than their associated theoretical buckling loads. The main source of this discrepancy is the presence of various imperfections which are created on the cylinder body during different processes as manufacturing, handling, assembling and machining. Many cylindrical shell structures are still designed against buckling based on the experimental data introduced by NASA SP-8007 as conservative lower bound curves. This study employed the numerical based Linear Buckling mode shape Imperfection (LBMI) method and modified it using a stochastic method to assess the effect of geometrical imperfections in more details on the buckling of cylindrical shells with and without the cutout. The comparison of results with those obtained from the numerical Simcple Perturbation Load Imperfection (SPLI) method for cylinders with and without cutout revealed a good correlation. The effect of two parameters of size and number of cutouts on the buckling load was investigated using the linear buckling and Modified LBMI methods. Results confirmed that in cylinders with a small cutout inserting geometrical imperfection using either SPLI or modified LBMI methods significantly reduced the value of the predicted buckling load. However, in cylinders with larger cutouts, the effect of the cutout is dominant, thus considering geometrical imperfection had a minor effect on the buckling loads predicted by both SPLI and modified LBMI methods. Furthermore, the modified LBMI method was employed to evaluate the combination effect of cutout numbers and size on the buckling load. It is shown that in small cutouts, an increasing in the cutout size up to a certain value resulted in a remarkable reduction of the buckling load, and beyond that limit, the buckling loads were constant against D/R ratios. In addition, the cutout number shows a more significant effect on decreasing the buckling load at small D/R ratios than large D/R ratios.
쉘형 구조물의 불안정 현상은 크게 뜀좌굴과 분기좌굴로 분류할 수 있다. 이들은 구조물의 형상특성, 특히 형상 초기불완전에 대해 매우 민감하게 반응한다. 본 연구에서는, 형상 초기불완전을 가진 쉘형 구조물의 불안정 거동을 파악하기 위해 양단이 힌지로 고정된 얕은 정현형 아치의 평형경로를 조사한다. 비선형 방정식을 얻기 위해 Galerkin법을 이용하였으며, 증분형 방정식으로의 변환은 섭동법을 이용하였다.
This paper considers the buckling and post-buckling behavior of empty metal storage tanks under wind load. The structures of such tanks may be idealized as cantilever cylindrical shells, and the structural response is investigated using a computational model. The modeling employs a doubly curved finite element based on a theory by Simo and coworkers, which is capable of handling large displacements and plasticity. Buckling results for tanks with four different geometric relations are presented to consider the influence of the ratios between the radius and the height of the shell (R/L), and between the radius and the thickness (R/t). The studies aim to clarify the differences in the shells regarding their imperfection-sensitivity. The results show that thin-walled short tanks, with R/L = 3, display high imperfection sensitivity, while tanks with R/L = 0.5 are almost insensitive to imperfections. Changes in the total potential energy of tanks that would buckle under the same high wind pressures are also considered.
Analyzing the collapse behavior of thin-walled steel structures holds significant importance in ensuring their safety and longevity. Geometric imperfections present on the surface of metal materials can diminish both the durability and mechanical integrity of steel shells. These imperfections, encompassing local geometric irregularities and deformations such as holes, cavities, notches, and cracks localized in specific regions of the shell surface, play a pivotal role in the assessment. They can induce stress concentration within the structure, thereby influencing its susceptibility to buckling. The intricate relationship between the buckling behavior of these structures and such imperfections is multifaceted, contingent upon a variety of factors. The buckling analysis of thin-walled steel shell structures, similar to other steel structures, commonly involves the determination of crucial material properties, including elastic modulus, shear modulus, tensile strength, and fracture toughness. An established method involves the emulation of distributed geometric imperfections, utilizing real test specimen data as a basis. This approach allows for the accurate representation and assessment of the diversity and distribution of imperfections encountered in real-world scenarios. Utilizing defect data obtained from actual test samples enhances the model's realism and applicability. The sizes and configurations of these defects are employed as inputs in the modeling process, aiding in the prediction of structural behavior. It's worth noting that there is a dearth of experimental studies addressing the influence of geometric defects on the buckling behavior of cylindrical steel shells. In this particular study, samples featuring geometric imperfections were subjected to experimental buckling tests. These same samples were also modeled using Finite Element Analysis (FEM), with results corroborating the experimental findings. Furthermore, the initial geometrical imperfections were measured using digital image correlation (DIC) techniques. In this way, the response of the test specimens can be estimated accurately by applying the initial imperfections to FE models. After validation of the test results with FEA, a numerical parametric study was conducted to develop more generalized design recommendations for the stainless-steel shell structures with the initial geometric imperfection. While the load-carrying capacity of samples with perfect surfaces was up to 140 kN, the load-carrying capacity of samples with 4 mm defects was around 130 kN. Likewise, while the load carrying capacity of samples with 10 mm defects was around 125 kN, the load carrying capacity of samples with 14 mm defects was measured around 120 kN.
This paper presents results of a non-linear finite element analysis of axially loaded slender hollow structural section (HSS) columns, strengthened using high modulus carbon-fiber reinforced polymer (CFRP) longitudinal sheets. The model was developed and verified against both experimental and other analytical models. Both geometric and material nonlinearities, which are attributed to the column's initial imperfection and plasticity of steel, respectively, are accounted for. Residual stresses have also been modeled. The axial strength in the experimental study was found to be highly dependent on the column's imperfection. Consequently, no specific correlation was established experimentally between strength gain and amount of CFRP. The model predicted the ultimate loads and failure modes quite reasonably and was used to isolate the effects of CFRP strengthening from the columns' imperfections. It was then used in a parametric study to examine columns of different slenderness ratios, imperfections, number of CFRP layers, and level of residual stresses. The study demonstrated the effectiveness of high modulus CFRP in increasing stiffness and strength of slender columns. While the columns' imperfections affect their actual strengths before and after strengthening,the percentage gain in strength is highly dependent on slenderness ratio and CFRP reinforcement ratio, rather than the value of imperfection.
A 1/3 composite cylindrical shell with a central rectangular opening was axially compressed experimentally, and its critical buckling load and displacement, and strains were measured. A finite element model (FEM) of the shell with Hashin failure criteria was established to analyze its buckling and post-buckling behaviors by nonlinear Newton-Raphson method. The geometric imperfection sensitivity and the effect of side supported conditions of the shell were investigated. It was found that the Newton-Raphson method can be used to analyze the buckling and post-buckling behaviors of the shell. The shell is not sensitive to initial geometric imperfection. And the support design of the shell by side stiffeners is a good way to obtain the critical buckling load and simplify the experimental fixture.
복합재료를 효과적으로 사용하기 위하여 복합재료 구조물의 설계기준 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 금속 셀의 좌굴에 대한 설계시에는 초기 결함의 영향과 탄성임계좌굴응력을 근거로 한 녹다운계수(Knock-down factor)를 정의하는 것이 중요한 과정이나 복합재료 쉘의 좌굴에 대한 설계시에는 초기 결함에 대한 민감도가 거의 연구되어 있지 않은 실정이다. 복합재료 쉘의 좌굴거동에 영향을 주는 설계변수는 많기 때문에, 쉘의 설계시 이 변수들로 인한 초기 결함 민감도를 분석하기 위하여 많은 실험을 필요로 하고 있으며 실험 이외의 다른 방법으로서는 이미 검증된 수치모델을 사용하는 것이다. 본 논문에서는 복합재료 쉘요소를 개발하는데 사용된 이론을 요약, 정리 하였으며 수치예제를 통하여 본 연구에서 제안한 쉘요소의 정확성을 검증하였다. 그리고 축방향으로 압축을 받는 GFRP 곡선형 판넬의 설계시 고려해야 하는 각 변수들을 다양하게 변화시키면서 좌굴거동에 미치는 영향을 유한요소 모델링에 의해 고찰하였다. 방법으로서 초기 결합 및 두께의 진폭을 고려한 비선형 해석과 고유치 해석을 수행하였으며 이 결과를 이용하여 녹다운 계수를 산출하였다.
This paper describes the application of the finite element method to the large deflection elastic plastic analysis and ultimate load calculation of axisymmetric shell of revolution with initial imperfection subjected to external pressure. The nonlinear equilibrium equations are linearized by the successive incremental method and are solved by the combination of load increment and iteration scheme with considering plastic deformation theory. To get the more realistic effect of large deflection, corrected coordinats and directions of applied load ar every load increment steps are used. The effects of the plasticity, initial imperfection and the shape of shells on the ultimate load of clamped circular cap under external pressure are investigated. Consequently, the following conclusions are obtained; (1) At same geometric parameter $\lambda$, each shape of clamped circular caps yield same elastic ultimate loads in both cases, i.e. with and without initial imperfections, whereas, in the case of elastic-plastic state the shell becomes thicker, the ultimate loads are getting smaller. (2) The effects of initial imperfection to ultimate load are most significant in the elastic case and are more senstive in the elastic-plastic state with the thinner shells.
Do-Young Kim;Chang-Hoon Sim;Jae-Sang Park;Joon-Tae Yoo;Young-Ha Yoon;Keejoo Lee
Structural Engineering and Mechanics
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제87권5호
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pp.419-429
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2023
This study conducts numerical analyses of a thin-walled composite cylinder under axial compression and internal pressure of 10 kPa. Numerical vibration correlation technique and nonlinear postbuckling analyses are conducted using the nonlinear finite element analysis program, ABAQUS. The single perturbation load approach and measured imperfection data are used to represent the geometric initial imperfection of thin-walled composite cylinder. The buckling knockdown factors are derived using present initial imperfection and analysis methods under axial compression without and with the internal pressure. Furthermore, the buckling knockdown factors are compared with the buckling test and computation time are calculated. In this study, derived buckling knockdown factors in present study have difference within 10% as compared with the buckling test. It is shown that nonlinear postbuckling analysis can derive relatively accurate buckling knockdown factor of present thin-walled cylinders, however, numerical vibration correlation technique derives reasonable buckling knockdown factors compared with buckling test. Therefore, this study shows that numerical vibration correlation technique can also be considered as an effective numerical method with 21~91% reduced computation time than nonlinear postbuckling analysis for the derivation of buckling knockdown factors of present composite cylinders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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