Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.37
no.2
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pp.147-155
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2009
The buckling and failure of filament wound thick composite cylinders under external hydrostatic pressure were investigated by the finite element analysis and test. ACOS, MSC.NASTRAN, and MSC.MARC were used for finite element analysis. T700 carbon-epoxy filament wound composite cylinders were fabricated to have winding angles of $[\pm30/90]_{FW}$, $[\pm45/90]_{FW}$, $[\pm60]_{FW}$, $[\pm60/90]_{FW}$, and tested to verify the finite element analysis. Among the softwares, ACOS predicted buckling load the best with about 1.7~14.3% deviation from test. Analysis and test shows cylinders do not recover the initial buckling pressure after buckling and directly lead to final failure.
Nho, In Sik;Ryu, Jae Won;Lim, Seung Jae;Cho, Sang Rai;Cho, Yun Sik
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.54
no.3
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pp.267-273
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2017
Pressure hulls of submerged structures are generally designed as circular cylinders, spheres or cones with form of axisymmetric shell of revolution to withstand the high external pressure of deep ocean. The compressive buckling (implosion) due to hydrostatic pressure is the main concern of structural design of pressure hull and many design codes are provided for it. It is well-known that the buckling behavior of thin shell of revolution is very sensitive to the initial geometric imperfections introduced during the construction process of cutting and welding. Hence, the theoretical solutions for thin shells with perfect geometry often provide much higher buckling pressures than the measured data in tests or real structures and more precise structural analysis techniques are prerequisite for the safe design of pressure hulls. So this paper dealt with various buckling pressure estimation techniques for unstiffened circular cylinder under hydrostatic pressure conditions. The empirical design equations, eigenvalue analysis technique for critical pressure and collapse behaviors of thin cylindrical shells by the incremental nonlinear FE analysis were applied. Finally all the obtained results were compared with those of the pressure chamber test for the aluminium models. The pros and cons of each techniques were discussed and the most rational approach for the implosion of circular cylinder was recommended.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.3
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pp.196-203
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2007
The postbuckling behavior and failure of composite cylinders subjected to external hydrostatic pressure are investigated by a finite element method and test. A nonlinear finite element program, ACOS, is used for the postbuckling progressive failure analysis of composite cylinders. A total of 5 carbon/epoxy composite cylinders were fabricated and tested to verify the finite element results. For comparison, analyses by MSC/NASTRAN and MSC/MARC are additionally conducted. Among the softwares, the finite element program, ACOS, predicts the buckling loads the best with about 11 to 26% deviation from experimental results except for one specimen. While the finite element analysis shows global buckling modes with 4 waves in hoop direction, in the experiments the local buckling appears first and results in the final failure without global buckling.
On the basis of Hoek-Brown failure criterion, a numerical solution for the shape of collapsing block in the rectangular cavity subjected to seepage forces is obtained by upper bound theorem of limit analysis. The seepage forces obtained from the gradient of excess pore pressure distribution are taken as external loadings in the limit analysis, and the pore pressure is easily calculated with pore pressure coefficient. Thus the seepage force is incorporated into the upper bound analysis as a work rate of external force. The upper solution of the shape of collapsing block is derived by virtue of variational calculation. In order to verify the validity of the method proposed in the paper, the result when the pore pressure coefficient equals zero, and only hydrostatic pressure is taken into consideration, is compared with that of previous work. The results show good effectiveness in calculating the collapsing block shape subjected to seepage forces. The influence of parameters on the failure mechanisms is investigated.
Underwater architecture in providing a comfortable living space underwater is mandated to survive prevailing environmental loads, especially hydrostatic ambient water pressure exerted on the structure of individual habitat hulls at depth and hydrodynamic fluctuation of external forces that perturb the postural equilibrium and mooring stability of the underwater housing system, for which the design including the hull shape and mooring system constraint the responses. In this study, the postural stability of a proposed underwater floating housing system with three vertically connected ellipsoidal-shape habitat hulls of different sizes are theorized and calculated for hydrostatic stability, using MATLAB in the volumetric integration of a hull and the weight of operational loads under assumed scenarios. The assumptions made in the numerical method to estimate the stability of the habitat system include the fixed weight of the hulls, and their adjustable loads within operational limits for the set meteorological oceanic conditions. The purpose of this study was to numerically manipulate a) The buoyancy and b) The adjusted center of mass of the system within the range of designed external and internal load changes, by which the effective mooring system capability and postural equilibrium requirements were argued with the quantitative analysis.
For this paper, the position-control performances of dual EHA(electro-hydrostatic actuator) systems were investigated according to two cases wherein the double-rod- and single-rod-type hydraulic cylinders were combined. Since the control performance is significantly dependent on the load conditions including external forces such as the inertia load, it is proposed here that the two sub-EHAs are driven by separate position and force controllers, instead of two identical position controllers. According to the simulation results, the best performance was achieved by the position-controlled single-rod-type EHA that was combined with a force-controlled double-rod-type EHA. As the force-controlled double-rod-type EHA compensated for the external loads on the position-controlled single-rod-type EHA, the position-control performance was not influenced by external forces including the inertia load. In addition, the position-controlled single-rod-type EHA contributed to the enhancement of the damping ratio by absorbing the pressure peaks through its internal accumulator. Due to the symmetrical piston areas, the double-rod-type EHA is more suitable for force control than the single-rod- type EHA.
In this paper, an elementary force fighting problem was investigated. The problem is encountered when a double-rod type EHA(electro-hydrostatic actuator) is combined with a single-rod type EHA to build a redundant actuator system with synchronized motion. When the rod-side chambers of the two different types of EHAs have the same effective piston areas and are simultaneously pressurized by an external load, the two EHAs behave identically, sharing the external load equally. However, when the piston head-side chamber of the single rod type EHA, having a larger effective area than the rod-side chamber, is pressurized by the external load, an abnormal force fighting between the two EHAs occurs, unless their pump speeds are properly decoupled. In this study, the output drive forces of each EHA were obtained from the cylinder pressure signals and applied to the position control for each EHA to maintain the balance between their pump speeds. Adding minor force difference feedback loops to the position control, the force fighting phenomena could be eliminated and steady state synchronization errors were reduced. The power consumption of the pumps also could be remarkably reduced, avoiding unnecessarily high load pressures to the pumps.
The marine pipelines laid in deep waters were evaluated to verify the resistance on the plastic collapse to heavy ambient external pressure due to hydrostatic pressure. In this study, the plastic collapse behavior of the marine pipe subjected to hydrostatic pressure was evaluated with the ovality and ratio of diameter to thickness in FE analyses. A parametric study was shown that the internal pressure increased the plastic collapse depth by increasing of the resistance to the plastic collapse. It was also shown that the collapse depth of the pipeline having a local ovality was deeper than that of the pipeline having a global ovality. Finally, the plastic collapse depth decreased when either the ratio of diameter to thickness or the ovality increased.
This study aimed to analyze the nonlinear buckling of ring-stiffened circular cylinders under uniform external pressure, e.g. hydrostatic pressure, considering material nonlinearity and initial imperfection. In the present study, we analyzed the collapse pressure of pressure vessels using ANSYS Workbench, which is a framework of finite element methods. First, linear buckling analysis is performed to find collapse modes of the model. Second, scaling the first mode shape with small factor, geometric model is pre-deformed. And then, by analyzing the nonlinear buckling of the pre-deformed shape, the collapse pressure is estimated. To verify the validity of the analyses, we compared the results with Ross' experimental results. Finally, we applied it to ring-stiffened circular cylindrical shell of the pressure hull of a small submarine.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.10
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pp.1131-1137
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2012
Subsea pipelines have been operated with buried depths of 1.2-4m underneath the seabed to prevent buoyancy and external impacts. Therefore, they have to show resistance to both the soil load and the hydrostatic pressure. In this study, the structural integrity of a subsea pipeline subjected to soil load and hydrostatic pressure was evaluated by using FE analyses. A parametric study showed that the internal pressure increased the plastic collapse depth by increasing the resistance to plastic collapse. The hoop stress increased with an increase in the buried depth for the same water depth; however, the hoop stress decreased with an increase in the water depth for the same buried depth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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