A numerical method is presented in this paper, for buckling analysis of thin arbitrary stiffened composite cylindrical shells under axial compression. The stiffeners can be placed inside and outside of the shell. The shell and stiffeners are operated as discrete elements, and their interactions are taking place through the compatibility conditions along their intersecting lines. The governing equations of motion are obtained based on Koiter's theory and solved by utilizing the principle of the minimum potential energy. Then, the buckling load coefficient and the critical buckling load are computed by solving characteristic equations. In this formulation, the elastic and geometric stiffness matrices of a single curved strip of the shell and stiffeners can be located anywhere within the shell element and in any direction are provided. Moreover, five stiffened composite shell specimens are made and tested under axial compression loading. The reliability of the presented method is validated by comparing its numerical results with those of commercial software, experiments, and other published numerical results. In addition, by using the ANSYS code, a 3-D finite element model that takes the exact geometric arrangement and the properties of the stiffeners and the shell into consideration is built. Finally, the effects of Poisson's ratio, shell length-to-radius ratio, shell thickness, cross-sectional area, angle, eccentricity, torsional stiffness, numbers and geometric configuration of stiffeners on the buckling of stiffened composite shells with various end conditions are computed. The results gained can be used as a meaningful benchmark for researchers to validate their analytical and numerical methods.
Ultimate axial strength of longitudinally stiffened cylindrical steel shells for wind turbine tower was investigated by applying the geometrically and materially nonlinear finite element method. The effects of radius to thickness ratio of shell, shape and amplitude of initial imperfections, area ratio between effective shell and stiffener, and stiffener spacing on the ultimate axial strength of cylindrical shells were analyzed. The ultimate axial strengths of stiffened cylindrical shells by FEA were compared with design buckling strengths specified in DNV-RP-C202. The shell buckling modes obtained from a linear elastic bifurcation FE analysis as well as the weld depression during fabrication specified in Eurocode 3 were introduced in the nonlinear FE analysis as initial geometric imperfections. The radius to thickness ratio of cylindrical shell models was selected to be in the range of 50 to 200. The longitudinal stiffeners were designed according to DNV-RP-C202 to prevent the lateral torsional buckling and local buckling of stiffeners.
Active control of nonlinear vibration of stiffened functionally graded (SFG) cylindrical shell is studied in this paper. The system is subjected to axial and transverse periodic loads in the presence of thermal uncertainty. The material composition is considered to be continuously graded in the thickness direction, also these properties depend on temperature. The relations of strain-displacement are derived based on the classical shell theory and the von Kármán equations. For modeling the stiffeners on the cylindrical shell surface, the smeared stiffener technique is used. The Galerkin method is used to discretize the partial differential equations of motion. Some comparisons are made to validate the SFG model. For suppression of the nonlinear vibration, the linear and nonlinear control strategies are applied. For control objectives, the piezoelectric actuator is attached to the external surface of the shell and the thin ring piezoelectric sensor is attached to the middle internal surface of shell. The effect of PID, feedback linearization and sliding mode control on the suppression of vibration for SFG cylindrical shell is presented.
The effects of boundary conditions on vibration characteristics for the ring stiffered composite cylindrical shells are investigated by theoretical and experimental method. In the theoretical procedure, the Love's thin shell theory combined with the discrete stiffener theory to consider the ring stiffening effect are adopted to derive the frequency equation. In experiment, the impact exciting method is used to obtain the vibraton results. Five different boundary conditions: clamped-clamped, simply supported-simply supported, free-free, clamped-free, clamped-simply supported are considered in this study.
Resisting strength of ring-stiffened cylindrical steel shell under uniform external pressure was evaluated by geometrically and materially nonlinear finite element method. The effects of shape and amplitude of geometric initial imperfection, radius to thickness ratio, and spacing of ring stiffeners on the resisting strength of ring-stiffened shell were analyzed. The resisting strength of ring-stiffened cylindrical shells made of SM490 obtained by FEA were compared with design strengths specified in Eurocode 3 and DNV-RP-C202. The shell buckling modes obtained from a linear elastic bifurcation FE analysis were introduced in the nonlinear FE analysis as initial geometric imperfections. The radius to thickness ratios of cylindrical shell in the range of 250 to 500 were considered.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.343-353
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2020
Based on the Precise Transfer Matrix Method (PTMM), the dynamic model is constructed to observe the vibration behaviour of cylindrical shells with variable thickness by solving a set of first-order differential equations. The free vibration of stiffened cylindrical shells with variable thickness can be obtained to compare with the exact solution and FEM results. The reliability of the present method of free vibration is well proved. Furthermore, the effect of thickness on the vibration responses of the cylindrical shell is also discussed. The acoustic response of immersed cylindrical shells is analyzed by a Pluralized Wave Superposition Method (PWSM). The sound pressure coefficient can be gained by collocating points along the meridian line to satisfy the Neumann boundary condition. The mode convergence analysis of the cylindrical shell is carried out to guarantee calculation precision. Also, the reliability of the present method on sound radiation is verified by comparing with experimental results and numerical results.
An efficient approach to the buckling analysis of stiffened cylindrical shells with rings and stringers under the axial and the lateral pressure loadings is presented. By this approach, the local buckling as well as overall buckling behavior has been investigated considering the discreteness of stiffeners and appropriate adoption of displacement functions. Some design criteria based on structural stability to determine optimum scantlings of stiffeners are also suggested. It is shown that the optimum scantlings of stiffeners can be designed from the condition of equal local and overall buckling strength.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.11
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pp.1802-1812
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2001
The theoretical method is developed to investigate the effects of ring stiffeners on free vibration characteristics and transient response for the ring stiffened composite cylindrical shells subjected to the impulse pressure Loading. In the theoretical procedure, the Love's thin shell theory combined with the discrete stiffener theory to consider the ring stiffening effect is adopted to formulate the theoretical model. The concentric or eccentric ring stiffeners are laminated with composite and have the uniform rectangular cross section. The modal analysis technique is used to develop the analytical solutions of the transient problem. The analysis is based on an expansion of the loads, displacements in the double Fourier series that satisfy the boundary conditions. The effect of stiffener's eccentricity, number, size, and position on transient response of the shells is examined. The results are verified by comparison with FEM results.
This work is focused on the definition and the analysis of both complete and incomplete similitudes for the dynamic responses of thin shells. Previous numerical and experimental investigations on both structural and structural-acoustic systems motivated this further analysis, mainly centred on the incomplete (distorted) similitudes. These similitudes and the associated scaling laws are defined by using the classical modal approach (CMA) and by invoking also the Energy Distribution Approach (EDA) in order to take into account both the cinematic and energetic items. The whole procedure is named SAMSARA: Similitude and Asymptotic Models for Structural-Acoustic Research and Applications. A brief summary of the procedure is herein given and the attention is paid to the analytical models of thin stiffened and unstiffened cylindrical shells. By using the well-known smeared model, the stiffened cylinder equations are used as general framework to analyse the possibility to define exact (replicas) or distorted similitudes (avatars). Despite the extreme simplicity of the proposed models, the results are really encouraging. The final aim is to define equivalent models to be used in laboratory measurements.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.5
no.1
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pp.101-115
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2013
This paper examines the application of structural reliability analysis to submarine pressure hulls to clarify the merits of probabilistic approach in respect thereof. Ultimate strength prediction methods which take the inelastic behavior of ring-stiffened cylindrical shells and hemi-spherical shells into account are reviewed. The modeling uncertainties in terms of bias and coefficient of variation for failure prediction methods in current design guidelines are defined by evaluating the compiled experimental data. A simple ultimate strength formulation for ring-stiffened cylinders taking into account the interaction between local and global failure modes and an ultimate strength formula for hemispherical shells which have better accuracy and reliability than current design codes are taken as basis for reliability analysis. The effects of randomness of geometrical and material properties on failure are assessed by a prelimnary study on reference models. By evaluation of sensitivity factors important variables are determined and comparesons are made with conclusions of previous reliability studies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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