An extension of the finite element method to the stability analysis of shells of revolution under static axisymmetric loading is presented in this paper. A systematic procedure for the formulation of the problem is based upon the principle of virtual work. This procedure results in an eigenvalue problem. For solution, the shell of revolution is discretized into a series of conical frusta. The buckling mode in the circumferential direction is assumed, this assumption makes the problem economical for the computing time. The present method is applied to a number of shells of revolution, under axial compression or lateral pressure, and comparision are made with other theoretical results. The results show good agreement each other. The effects of aspect ratio, boundary conditions and buckling modes on the buckling strength of shells of revolution are studied. Also the optimum shape of cylindrical shell under uniform axial compression is obtained from the view point of structural stability.
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of thick, complete (not truncated) conical shells of revolution, Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D). the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components $u_{r},\;u_{z},\;and\;u_{\theta}$ in the radial, axial, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in , and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the conical shells are formulated, the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four-digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of theconical shells. Novel numerical results are presented for thick, complete conical shells of revolution based upon the 3-D theory. Comparisons are also made between the frequencies from the present 3-D Ritz method and a 2-D thin shell theory.
This work uses tensor calculus to derive a complete set of three-dimensional field equations well-suited for determining the behavior of thick shells of revolution having arbitrary curvature and variable thickness. The material is assumed to be homogeneous, isotropic and linearly elastic. The equations are expressed in terms of coordinates tangent and normal to the shell middle surface. The relationships are combined to yield equations of motion in terms of orthogonal displacement components taken in the meridional, normal and circumferential directions. Strain energy and kinetic energy functionals are also presented. The equations of motion and energy functionals may be used to determine the static or dynamic displacements and stresses in shells of revolution, including free and forced vibration and wave propagation.
자유 모양을 한 적층판 형태의 복합 회전체 쉘 구조물은 원추형 쉘 요소의 조합으로 나타낼 수 있다. 이에 이 논문에서는 원추형 쉘 요소에 대한 유한요소해석 모델을 개발하고자 한다. 또한 이 모델의 타당성을 입증하기 위해 기존의 원통형 쉘으 고유진동 이론해와 비교한다. 여러 형태의 복합 원통형 쉘에 대해 여러 가지 인자변환 실험을 행한다. 실험을 통하여서 이 논문에서 제시한 모델을 이용한 고유진동 주파수 결과와 이론해에서 구한 결과가 매우 흡사하다는 것을 알았으며 그로 말미암아 이 모델의 적합성을 확인하였다. 이 원추형 쉘 요소의 개발로 말미암아 어떠한 형태의 적층 이방성 복합 회전체 쉘에 대해서도 해석이 용이하다.
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of solid paraboloidal and complete (that is, without a top opening) paraboloidal shells of revolution with variable wall thickness. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. The ends of the shell may be free or may be subjected to any degree of constraint. Displacement components $u_r,\;u_{\theta},\;and\;u_z$ in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in ${\theta}$, and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the paraboloidal shells of revolution are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the complete, shallow and deep paraboloidal shells of revolution with variable thickness. Numerical results are presented for a variety of paraboloidal shells having uniform or variable thickness, and being either shallow or deep. Frequencies for five solid paraboloids of different depth are also given. Comparisons are made between the frequencies from the present 3-D Ritz method and a 2-D thin shell theory.
This paper presents a fuzzy optimum design of axisymmetrically loaded thin shells of revolution. This paper consists of two parts, namely: an elastic analysis using the new curved element for finite element analysis developed in this study for axisymmetrically loaded thin shells of revolution, and the volume optimization on the basis of results evaluated from the elastic analysis. The curved element to meridian direction is used to develop the computer program. The results obtained from the computer program are compared by exact solution of each analytic example. The fuzzy optimizations of thin shells of revolution are done using [Model 2] which is in the form of a conventional crisp objective function and constraints with non-membership function, and nonlinear optimum GINO (General Interactive Optimizer) programming. In this paper, design examples show that the fuzzy optimum designs of the steel water tank and the steel dome roof could provide significant cost savings.
The structural feasibility of a variety of non-conventional sludge digesters, in the form of thin shells of revolution constructed in concrete, has formed the subject of investigation of a recent programme of research at the University of Cape Town. Such forms are usually known in the literature as "egg-shaped", and the advantages of these over conventional digesters of the wide-cylindrical type are now well-recognised: superior mixing efficiency, less accumulation of deposits at the bottom, easier removal of bottom deposits and surface crust, reduced heat losses, and so forth. With the aim of exploring the structural feasibility of various non-conventional forms for concrete sludge digesters, and making available usable analytical data and practical guidelines for the design of such thin shell structures, a number of theoretical studies have recently been undertaken, and these have covered conical assemblies, spherical assemblies and parabolic ogival configurations. The purpose of the present paper is to bring together the different analytical approaches employed in each of these studies, summarise the main findings in each case, draw comparisons among the various studied configurations with regard to structural efficiency and functional suitability, and make appropriate conclusions and recommendations.
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies of eccentric hemi-spherical shells of revolution with variable thickness. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components $u_r$, $u_{\Theta}$, and $u_z$ in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be periodic in ${\theta}$ and in time, and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential and kinetic energies of eccentric hemi-spherical shells with variable thickness are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to three or four-digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the shells. Numerical results are presented for a variety of eccentric hemi-spherical shells with variable thickness.
두꺼운 축대칭 쌍곡형 쉘의 고유진동수를 결정하는 3차원 해석법이 제시되었다. 수학적으로 2차원적인 전통적인 쉘 이론과는 달리, 본 연구의 해석법은 3차원적인 동탄성방정식을 근간으로 하였다. 반경방향, 원주방향, 축방향으로의 변위성분인 u/sub r/, u/sub θ/, u/sub z/를 시간에 대해서는 정현적으로, θ에 대해서는 주기적으로, r과 z방향으로는 대수 다항식으로 표현하였다. 쌍곡형 쉘의 위치(변형률)에너지와 운동에너지를 정식화하고 리츠법을 사용하여 고유치문제를 해결하였으며, 진동수의 최소화과정을 통해 고유진동수를 엄밀해의 상위경계치로 구하였다. 대수 다항식의 차수가 증가하면 진동수는 엄밀해에 수렴하게 된다. 축대칭 쌍곡형 쉘의 하위 5개의 진동수에 대해서 유효숫자 4자리까지의 수렴성 연구가 이루어졌다. 쌍곡형 쉘의 서로 다른 2개의 두께 비, 3개 의 축비(axis ratio), 3개의 shv이 비를 가진 총 18개의 형상을 지닌 자유 경계의 축대칭 쌍곡형 쉘의 수치결과를 도표화하였다. 프와송 비( ν)는 0.3으로 고정하였다. 본 연구의 해석법은 매우 두꺼운 쉘 뿐만 아니라 얇은 쉘에도 적용이 가능하다.
Laminated composite shells are commonly used in various engineering applications including aerospace and marine structures. In this paper, using semi-analytical finite strip method, the buckling behavior of laminated composite deep as well as thick shells of revolution under follower forces which remain normal to the shell is investigated. The stiffness caused by pressure is calculated for the follower forces subjected to external fibers in thick shells. The shell is divided into several closed strips with alignment of their nodal lines in the circumferential direction. The governing equations are derived based on first-order shear deformation theory which accounts for through thickness-shear flexibility. Displacements and rotations in the middle surface of shell are approximated by combining polynomial functions in the meridional direction as well as truncated Fourier series with an appropriate number of harmonic terms in the circumferential direction. The load stiffness matrix which accounts for variation of loads direction will be derived for each strip of the shell. Assembling of these matrices results in global load stiffness matrix which may be un-symmetric. Upon forming linear elastic stiffness matrix called constitutive stiffness matrix, geometric stiffness matrix and load stiffness matrix, the required elements for the second step analysis which is an eigenvalue problem are provided. In this study, different parameter effects are investigated including shell geometry, material properties, and different boundary conditions. Afterwards, the outcomes are compared with other researches. By considering the results of this article, it can be concluded that the deformation-dependent pressure assumption can entail to decrease the calculated buckling load in shells. This characteristic is studied for different examples.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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