مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

بررسی پارامتری تاثیر نقص شکل‌های هندسی رینگی، محلی و حاصل از شکل‌ مود در تحلیل کمانش و پایداری سازه پوسته‌های دوار لمنیسکات بوث

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران
2 پژوهشگر، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران
3 کارشناس ارشد مهندسی هوافضا-سازه‌های هوایی، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران
چکیده
استفاده از کره‌های متقاطع در طراحی و ساخت سازه بدنه سازه‌های زیر سطح دریا همواره مورد توجه بوده است. در این تحقیق، تحلیل تنش و پایداری پوسته‌های دوار لمنیسکات بوث دارای نقص شکل‌های هندسی مختلف تحت فشار هیدرواستاتیک خارجی مورد بررسی قرار می‌گیرد. ابتدا با معرفی پوسته‌های دوار لمنیسکات بوث، این هندسه پرکاربرد بدون ناپیوستگی و تمرکز تنش ایجاد می‌شود. تحلیل تنش پوسته‌های دوار لمنیسکات برای ضرایب شکل مختلف و با استفاده از تئوری تنش غشائی انجام شده است. با استفاده از زبان برنامه‌نویسی پایتون و اسکریپت نویسی در نرم‌افزار آباکوس، معادلات هندسی مربوط به منحنی مولد پوسته‌ها با ضرایب شکل مختلف ایجاد گردیده و میدان تنش حاصل از فشار خارجی محاسبه شده است. با مقایسه نتایج حاصل از حل تحلیلی و حل عددی المان محدود، تطابق مناسب بین نتایج مشاهده می‌گردد. با توجه به اهمیت نقص شکل‌های هندسی در رفتار پس‌کمانش پوسته‌های دوار، پوسته‌های لمنیسکات بوث تحت تاثیر انواع نقص شکل‌های هندسی اولیه شامل رینگی متقارن محوری، محلی و نقص شکل‌های حاصل از برهم نهی شکل مودهای کمانش خطی در نظر گرفته شده است. کاهش استحکام کمانش پوسته‌ها در قالب ضریب شکست بررسی شده است که بیشترین تاثیرپذیری مربوط به نقص شکل‌های حاصل از شکل مود و کمترین آن مربوط به نقص شکل‌های محلی بوده است. نتایج نشان می‌دهد که ناحیه میانی پوسته نسبت به کمانش حساس‌تر است، همچنین محاسبه ضریب شکست نشان‌دهنده آن است که با افزایش ابعاد نقص شکل مقدار بار بحرانی کاهش می‌یابد و هرچه ابعاد نقص شکل بزرگتر می‌شوند شیب نمودار ضریب شکست کمتر می‌شود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Parametric study of ring, local and mode shaped imperfections for buckling and stability analysis of Booth Lemniscate shells of revolution

نویسندگان English

Behrooz Shahriari 1
Mehdi Dehghan 2
Milad Milad Mohammad Hasani Javar 3
1 Assistant Professor, Faculty of Mechanics, Malek Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran
2 Research Assistant, Faculty of Mechanics, Malek Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran
3 M.Sc. in Aerospace Engineering-Aero structures, Faculty of Mechanics, Malek Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده English

The use of cross spheres in the design and manufacturing of the pressure body of subsurface vessels has been of interest. In this article, stress and stability analysis of a Booth lemniscate shell of revolution under external pressure and various geometric imperfections is investigated. First, by introducing Booth Lemniscate shells, this widely used geometry is created without discontinuity and stress concentration. Stress analysis of these shells for different shape coefficients has been done using membrane stress theory. Using Python programming language and scripting in Abaqus software, the geometric equations related to the generating curve of shells with different shape coefficients were created and the stress field resulting from external pressure was calculated. By comparing the results obtained from the analytical solution and the finite element numerical solution, a proper match between the results is observed. Considering the importance of geometric shape defects in the post-buckling behavior of revolution shells, Booth lemniscate shells have been considered under the influence of various types of primary geometric shape defects, including axial and local symmetric ringing and shape defects resulting from the superposition of linear buckling modes. The reduction of the buckling strength of the shells has been investigated in the form of knockdown factor, and the highest impact was related to the shape defects resulting from the mode shape and the lowest was related to the local shape defects. The results show that the middle region of the shell is more sensitive to buckling, and the calculation of the knockdown factor shows that the critical load value decreases with the increase in the dimensions of the shape defect, and as the size of the shape defect increases, the slope of the knockdown factor graph decreases.

کلیدواژه‌ها English

Booth lemniscate shells of revolution
Geometric imperfections
Membrane stress theory
Strength analysis
Buckling and post-buckling
  • Wang, M., Zhang, J., Wang, W., & Tang, W. (2018). Linear and nonlinear elastic buckling of stereolithography resin egg-shaped shells subjected to external pressure. Thin-Walled Structures, 127, 516-522.‏
  • Zhang, J., Wang, M., Wang, W., Tang, W., & Zhu, Y. (2017). Investigation on egg-shaped pressure hulls. Marine Structures, 52, 50-66.‏
  • Zingoni, A. (2001). Stresses and deformations in egg-shaped sludge digestors: discontinuity effects. Engineering structures, 23(11), 1373-1382.‏
  • Zhang, J., Wang, W. M., Cui, W. C., Tang, W. X., Wang, F., & Chen, Y. (2018). Buckling of longan-shaped shells under external pressure. Marine Structures, 60, 218-225.‏
  • Zhang, J., Wang, W., Wang, F., Tang, W., Cui, W., & Wang, W. (2018). Elastic buckling of externally pressurized Cassini oval shells with various shape indices. Thin-Walled Structures, 122, 83-89.‏
  • Jasion, P., & Magnucki, K. (2015). Theoretical investigation of the strength and stability of special pseudospherical shells under external pressure. Thin-Walled Structures, 93, 88-93.‏
  • Jasion, P. (2009). Stability analysis of shells of revolution under pressure conditions. Thin-walled structures, 47(3), 311-317.‏
  • Chang, G. H., & Modarres-Sadeghi, Y. (2016). Flow-induced instabilities of shells of revolution with non-zero Gaussian curvatures conveying fluid. Journal of Sound and Vibration, 363, 600-612.‏
  • Błachut, J. (2002). Buckling of externally pressurised barrelled shells: a comparison of experiment and theory. International journal of pressure vessels and piping, 79(7), 507-517.‏
  • Jasion, P., & Magnucki, K. (2007). Elastic buckling of barrelled shell under external pressure. Thin-walled structures, 45(4), 393-399.‏
  • Błachut, J., & Magnucki, K. (2008). Strength, stability, and optimization of pressure vessels: Review of selected problems. Applied Mechanics Reviews, 61(6).‏
  • Pan, B., & Cui, W. (2010). An overview of buckling and ultimate strength of spherical pressure hull under external pressure. Marine Structures, 23(3), 227-240.‏
  • Magnucki, K., Lewinski, J., & Cichy, R. (2018). Strength and buckling problems of dished heads of pressure vessels—contemporary look. Journal of Pressure Vessel Technology, 140(4).‏
  • Magnucki, K., Jasion, P., & Rodak, M. (2018). Strength and buckling of an untypical dished head of a cylindrical pressure vessel. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 161, 17-21.‏
  • Sowiński, K., & Jasion, P. (2019). Strength and stability of shells based on Booth lemniscate loaded with external pressure. Thin-Walled Structures, 144, 106284.‏
  • Hutchinson, J. W., Tennyson, R. C., & Muggerider, D. B. (1971). Effect of a Local Axisymmetric Imperfection on the Buckling Behavior of a Circular Cylindrical Shell under Axial Compression, AIAA Journal, 9(1), 48-52.‏
  • Jiménez, F. L., Marthelot, J., Lee, A., Hutchinson, J. W., & Reis, P. M. (2017). Technical brief: knockdown factor for the buckling of spherical shells containing large-amplitude geometric defects. Journal of Applied Mechanics, 84(3).‏
  • Wagner, H. N. R., Sosa, E. M., Ludwig, T., Croll, J. G. A., & Hühne, C. (2019). Robust design of imperfection sensitive thin-walled shells under axial compression, bending or external pressure. International Journal of mechanical sciences, 156, 205-220.‏
  • Ismail, M. S., Ifayefunmi, O., & Fadzullah, S. H. S. M. (2019). Buckling of imperfect cylinder-cone-cylinder transition under axial compression. Thin-Walled Structures, 144, 106250.‏
  • Zhang, J., Li, S., Cui, W., Xiang, K., Wang, F. and Tang, W.(2020). Buckling of multiple intersecting spherical shells under uniform external pressure. Journal of Marine Science and Application, 19, 634-641.
  • Abbasi, A., Yan, D., & Reis, P. M. (2021). Probing the buckling of pressurized spherical shells. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 155, 104545.‏
  • Sahoo, S. (2022). Buckling behavior of laminated composite stiffened cylindrical shell panels having cutout for different parametric variations. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 236(22), 10987-11007.‏
  • Zhu, Y., Yu, J., Guan, W., Tang, W., Yue, L., & Zhang, J. (2022). Effects of the geometrical shapes on buckling of conical shells under external pressure. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 196, 104624.‏
  • Zhang, J., Cheng, P., Wang, F., Tang, W., & Zhao, X. (2022). Hydroforming and buckling of an egg-shaped shell based on a petal-shaped preform. Ocean Engineering, 250, 111057.‏
  • Tang, Y., Zhang, J., Wang, F., Zhao, X. and Wang, M. (2023) Buckling performance of ellipsoidal pressure hulls with stepwise wall thicknesses, Ocean Engineering, 284, 115165.
  • Fu, X., Mei, Z., Wang, S., Bai, X., Zhang, E., Chen, G. and Li, H. (2023) Design method of combined stiffened pressure hulls with variable-curvature characteristic, Ocean Engineering, 281, 114685.
  • Liang, C. C., Shiah, S. W., Jen, C. Y., & Chen, H. W. (2004). Optimum design of multiple intersecting spheres deep-submerged pressure hull. Ocean Engineering, 31(2), 177-199.‏
  • Ventsel, E., & Krauthammer, T. (2001). Thin Plates and Shells Theory Analysis and Application.‏

  • تاریخ دریافت 19 خرداد 1402
  • تاریخ بازنگری 24 مهر 1402
  • تاریخ پذیرش 11 آبان 1402