FINITE ELEMENT ANALYSIS OF NONLINEAR DEFORMATION, STABILITY AND VIBRATIONS OF ELASTIC THIN-WALLED STRUCTURES

Заголовок (англійською): 
FINITE ELEMENT ANALYSIS OF NONLINEAR DEFORMATION, STABILITY AND VIBRATIONS OF ELASTIC THIN-WALLED STRUCTURES
Автор(и): 
O.P. Krivenko
Yu.V. Vorona
A.A. Kozak
Автор(и) (англ): 
O.P. Krivenko
Yu.V. Vorona
A.A. Kozak
Ключові слова (укр): 
тонка неоднорідна оболонка, універсальний просторовий скінченний елемент, геометрично нелінійне деформування, стійкість, коливання, термосилове навантаження
Ключові слова (англ): 
thin inhomogeneous shell, universal space finite element, geometrically nonlinear deformation, buckling, vibration, thermo-mechanical load
Анотація (укр): 
Актуальність. Тонкостінні конструкції оболонкового типу широко використовуються в будівництві та різних галузях техніки. В умовах експлуатації такі конструкції зазвичай піддаються впливу різних навантажень, в тому числі і термосилових. Реальні оболонкові конструкції, як правило, є конструкціями складної форми, які для підвищення надійності, зниження матеріаломісткості, з технологічних міркувань проектуються у вигляді неоднорідних по товщині оболонкових систем. Це обумовлює великий і постійний інтерес інженерів і конструкторів до задач дослідження поведінки пружних тонкостінних оболонкових конструкцій. Мета роботи. Робота присвячена методиці аналізу геометрично нелінійного деформування, стійкості, закритичної поведінки і власних коливань тонких пружних оболонок складної форми і структури при дії статичних термосилових навантажень. На базі розробленого універсального просторового скінченного елемента з введеними додатковими змінними параметрами побудована розрахункова модель, яка враховує геометричні особливості конструктивних елементів і неоднорідність матеріалу тонкої оболонки (змінність товщини, злами і гранований обшивки, ребра, накладки, виїмки, отвори, вставки, багатошарову структуру матеріалу). Результати. Застосований уніфікований підхід дозволив створити єдину розрахункову скінченно-елементну модель оболонки неоднорідної структуру. На низці прикладів показано, що метод, наведений у цій статті, дозволяє ефективно досліджувати геометрично нелінійне деформування, стійкість, закритичну поведінку і власні коливання тонких пружних оболонок неоднорідної структури при дії статичних термосилових навантажень.
Анотація (англ): 
Thin-walled shell-type structures are widely used in various branches of technology and industry. Such structures under operating conditions are usually exposed to various loads, including thermomechanical ones. Real shell structures, as a rule, have a complex shapes. To increase reliability, reduce material consumption, for technological reasons, they are designed as inhomogeneous systems in thickness. This causes a great and constant interest of engineers and designers in the problems of investigating the behavior of elastic thin-walled shell structures. The work is devoted to the method of analysis of geometrically nonlinear deformation, stability, post-buckling behavior and natural vibrations of thin elastic shells of complex shape and structure under the action of static thermomechanical loads. The unified design model has been created on the basis of the developed universal spatial finite element with introduced additional variable parameters. The model takes into account the multilayer material structure and geometric features for structural elements of the thin shell. The shells can be reinforced with ribs and cover plates, weakened by cavities, channels and holes, have sharp bends in the mid-surface. Such a uniform formulation made it possible to create a unified finite element model of the shells with an inhomogeneous structure. It is shown on a number of problems that the method presented in this article is an effective tool for analyzing geometrically nonlinear deformation, stability, post-buckling behavior and natural vibrations of thin elastic shells of an inhomogeneous structure under the action of static thermomechanical loads.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2021, номер 107
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2021, issue 107
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
02-107_kriv_vorona_kozak.pdf
Дата публікації: 
27 Декабрь 2021
Номер збірника: 
107
Університет автора: 
Kyiv National University of Construction and Architecture 31, Povitroflotsky ave., Kyiv, Ukraine, 03037
Литература: 
  1. Gavrilenko G.D., Matsner V.I., Kutenkova O.A. Free vibration of shells with axisymmetric dimples and bulges under axial compression // Strength of Materials (2009) Vol. 41, No. 2, Pp. 219-222.
  2. Golovanov A.I., Tyuleneva O.N., Shigabutdinov A.F. Metod konechnyih elementov v statike i dinamike tonkostennyih konstruktsiy (Finite element method in statics and dynamics of thin-walled structures). – M.: FIZMATLIT, 2006. – 392 s.
  3. Kantor B.Ya. Nelineynyie zadachi teorii neodnorodnyih pologih obolochek (Nonlinear problems in the theory of inhomogeneous shallow shells). – K.: Naukova dumka, 1974. – 136 s.
  4. Karpov V.V. Prochnost i ustoychivost podkreplennyih obolochek vrascheniya. Ch.2. Vyichislitelnyiy eksperiment pri staticheskom mehanicheskom vozdeystvii (Strength and buckling of reinforced shells of rotation. Part 2. Computational experiment with static mechanical action). – M.: FIZMATLIT, 2011. – 248 s.
  5. Podvornyi A.V., Semenyuk N.P., Trach V.M. Stability of Inhomogeneous Cylindrical Shells Under Distributed External Pressure in a Three-Dimensional Statement // Int. Appl. Mech. - 53, рр. 623–638 (2017).
  6. Gureeva N.A., Klochkov Yu.V., Nikolaev A.P., Yushkin V.N. Stress-strain state of shell of revolution analysis by using various formulations of three-dimensional finite elements. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2020; 16(5): 361–379.
  7. Hutchinson J.W., Thompson J.M.T. Nonlinear Buckling Interaction for Spherical Shells Subject to Pressure and Probing Forces // J. Appl. Mech 84(6), 061001 (2017).
  8. Cinefra M. Formulation of 3D finite elements using curvilinear coordinates // Mechanics of Advanced Materials and Structures, pp, 1-10 (2020).
  9. Bazhenov V.A., Krivenko O.P., Solovei M.O. Neliniine deformuvannia ta stiikist pruzhnykh obolonok neodnoridnoi struktury (Nonlinear deformation and stability of elastic shells with inhomogeneous structure). – K.: ZAT «Vipol», 2010. – 316 s.
  10. Bazhenov V.A., Krivenko O.P., Solovey N.A. Nelineynoe deformirovanie i ustoychivost uprugih obolochek neodnorodnoy strukturyi: Modeli, metodyi, algoritmyi, maloizuchennyie i novyie zadachi (Nonlinear deformation and stability of elastic shells with inhomogeneous structures: Models, methods, algorithms, poorly-studied and new problems). – M.: Knizhnyiy dom «LIBRIKOM», 2013. – 336 s.
  11. Bazhenov V.A., Krivenko O.P. Buckling and Natural Vibrations of Thin Elastic Inhomogeneous Shells. – LAP LAMBERT Academic Publishing, 2018. – 97 p.
  12. Bazhenov V.A., Krivenko O.P. Stiikist i kolyvannia pruzhnykh neodnoridnykh obolonok pry termosylovykh navantazhenniakh (Stability and oscillations of elastic inhomogeneous shells under thermo-mechanical loads). – K.: ZAT «Vipol», 2020. – 187 s.
  13. LIRA 9.4 Rukovodstvo polzovatelya. Osnovy. Uchebnoe posobie. / Strelec-Streleckij E.B., Bogovis V.E., Genzerskij Yu.V., Gerajmovich Yu.D. i dr. – K.: izd-vo «Fakt», 2008. – 164 s. [LIRA 9.4 User Guide. Basics. Textbook.]
 
References: 
  1. Gavrilenko G.D., Matsner V.I., Kutenkova O.A. Free vibration of shells with axisymmetric dimples and bulges under axial compression // Strength of Materials (2009) Vol. 41, No. 2, Pp. 219-222.
  2. Golovanov A.I., Tyuleneva O.N., Shigabutdinov A.F. Metod konechnyih elementov v statike i dinamike tonkostennyih konstruktsiy (Finite element method in statics and dynamics of thin-walled structures). – M.: FIZMATLIT, 2006. – 392 s.
  3. Kantor B.Ya. Nelineynyie zadachi teorii neodnorodnyih pologih obolochek (Nonlinear problems in the theory of inhomogeneous shallow shells). – K.: Naukova dumka, 1974. – 136 s.
  4. Karpov V.V. Prochnost i ustoychivost podkreplennyih obolochek vrascheniya. Ch.2. Vyichislitelnyiy eksperiment pri staticheskom mehanicheskom vozdeystvii (Strength and buckling of reinforced shells of rotation. Part 2. Computational experiment with static mechanical action). – M.: FIZMATLIT, 2011. – 248 s.
  5. Podvornyi A.V., Semenyuk N.P., Trach V.M. Stability of Inhomogeneous Cylindrical Shells Under Distributed External Pressure in a Three-Dimensional Statement // Int. Appl. Mech. - 53, рр. 623–638 (2017).
  6. Gureeva N.A., Klochkov Yu.V., Nikolaev A.P., Yushkin V.N. Stress-strain state of shell of revolution analysis by using various formulations of three-dimensional finite elements. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2020; 16(5): 361–379.
  7. Hutchinson J.W., Thompson J.M.T. Nonlinear Buckling Interaction for Spherical Shells Subject to Pressure and Probing Forces // J. Appl. Mech 84(6), 061001 (2017).
  8. Cinefra M. Formulation of 3D finite elements using curvilinear coordinates // Mechanics of Advanced Materials and Structures, pp, 1-10 (2020).
  9. Bazhenov V.A., Krivenko O.P., Solovei M.O. Neliniine deformuvannia ta stiikist pruzhnykh obolonok neodnoridnoi struktury (Nonlinear deformation and stability of elastic shells with inhomogeneous structure). – K.: ZAT «Vipol», 2010. – 316 s.
  10. Bazhenov V.A., Krivenko O.P., Solovey N.A. Nelineynoe deformirovanie i ustoychivost uprugih obolochek neodnorodnoy strukturyi: Modeli, metodyi, algoritmyi, maloizuchennyie i novyie zadachi (Nonlinear deformation and stability of elastic shells with inhomogeneous structures: Models, methods, algorithms, poorly-studied and new problems). – M.: Knizhnyiy dom «LIBRIKOM», 2013. – 336 s.
  11. Bazhenov V.A., Krivenko O.P. Buckling and Natural Vibrations of Thin Elastic Inhomogeneous Shells. – LAP LAMBERT Academic Publishing, 2018. – 97 p.
  12. Bazhenov V.A., Krivenko O.P. Stiikist i kolyvannia pruzhnykh neodnoridnykh obolonok pry termosylovykh navantazhenniakh (Stability and oscillations of elastic inhomogeneous shells under thermo-mechanical loads). – K.: ZAT «Vipol», 2020. – 187 s.
  13. LIRA 9.4 Rukovodstvo polzovatelya. Osnovy. Uchebnoe posobie. / Strelec-Streleckij E.B., Bogovis V.E., Genzerskij Yu.V., Gerajmovich Yu.D. i dr. – K.: izd-vo «Fakt», 2008. – 164 s. [LIRA 9.4 User Guide. Basics. Textbook.]