Single- and multi-span orthotropic functionally graded hollow cylinders subjected to axisymmetrical bending are investigated on the basis of a unified shear deformable shell theory, in which the transverse displacement is expressed by means of a general shape function. To approach the through-thickness inhomogeneity of the hollow cylinder, a laminated model is employed. The shape function therefore shall be determined for each fictitious layer. To improve the computational efficiency, we resort to a transfer matrix method. Based on the principle of minimum potential energy, equilibrium equations are established, which are then solved analytically using the transfer matrix method for arbitrary boundary conditions. Numerical comparisons among a third-order shear deformable shell theory, an exact elastic theory and the present theory are provided for a simply supported hollow cylinder, from which the present theory turns out to be superior in stress estimation. Distributions of displacements and stresses in single- and three-span hollow cylinders with different boundary conditions are also illustrated in numerical examples.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.229-236
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2004
A new three-node triangular shell element based on higher order zig-zag theory is developed for laminated composite shells with multiple delaminations. The present higher order zig-zag shell theory is described in a general curvilinear coordinate system and in general tensor notation. All the complicated curvatures of surface including twisting curvatures can be described in an exact manner in the present shell element because this element is based on geometrically exact surface representation. The displacement field of the proposed finite element includes slope of deflection. which requires continuity between element interfaces. Thus the nonconforming shape function of Specht's three-node triangular plate bending element is employed to interpolate out-of-plane displacement. The present element passes the bending and twisting patch tests in flat surface configurations. The developed element is evaluated through the buckling problems of composite cylindrical shells with multiple delaminations. Through the numerical examples it is demonstrated that the proposed shell element is efficient because it has minimal degrees of freedom per node. The accuracy of the present element is demonstrated in the prediction of buckling loads and buckling modes of shells with multiple delaminations. The present shell element should serve as a powerful tool in the prediction of buckling loads and modes of multi-layered thick laminated shell structures with arbitrary-shaped multiple delaminations.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.7
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pp.2223-2233
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1996
The analytical solutions for the free vibration of cross-ply laminated composite cyllindrical shell with axial stiffeners(stringers) are presented usint the energy method. The stiffeners are taken to be smeared over the surface of shell with the smeared stffener theory. The effect of the parameters such as the stacking sequences, the shell thichness, the shell radius-to stringer depth ratio, the stringer depth-to width ratio, the shell length-to radius ratio are studied. By comparison with the previously published experimental results and the analytical results for the stiffened isotropic cylindrical shell and the unstiffened orthotropic composite laminated cylindrical shell, it is shown that natural frequencies can be determined with adequate accuracy.
In this paper, free vibration of Cooper-Naghdi micro sandwich cylindrical shell with saturated porous core and reinforced carbon nanotube (CNT) piezoelectric composite face sheets is investigated by using first order shear deformation theory (FSDT) and modified couple stress theory (MCST). The sandwich shell is subjected to magneto-thermo-mechanical loadings with temperature dependent material properties. Energy method and Hamilton's principle are used for deriving of the motion equations. The equations are solved by Navier's method. The results are compared with the obtained results by the other literatures. The effects of various parameters such as saturated porous distribution, geometry parameters, volume fraction and temperature change on the natural frequency of the micro-sandwich cylindrical shell are addressed. The obtained results reveal that the natural frequency of the micro sandwich cylindrical shell increases with increasing of the radius to thickness ratio, Skempton coefficient, the porosity of the core, and decreasing of the length to radius ratio and temperature change.
The present paper develops application of third-order shear deformation theory (TSDT) and modified couple stress theory (MCST) to size-dependent bending analysis of a functionally graded cylindrical micro-shell. The radial and axial displacement components are described based on TSDT for more accurate analysis. The effect of small scales is accounted based on MCST. The principle of virtual work is used for derivation of bending governing equations. The solution is presented for a simply-supported boundary condition to account the influence of various important parameters such as micro length scale parameter, in-homogeneous index and some dimensionless geometric parameters such as length to radius and length to thickness ratios on the bending results. A comparative analysis is presented to examine the effect of order of employed shear deformation theory on the axial and radial displacements.
Khayat, Majid;Dehghan, Seyed Mehdi;Najafgholipour, Mohammad Amir;Baghlani, Abdolhossein
Steel and Composite Structures
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v.28
no.6
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pp.735-748
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2018
In this study, the semi-analytical finite strip method is adopted to examine the free vibration of cylindrical shells made up of functionally graded material. The properties of functionally graded shells are assumed to be temperature-dependent and vary continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of ceramic and metal. The material properties of the shells and stiffeners are assumed to be continuously graded in the thickness direction. Theoretical formulations based on the smeared stiffeners technique and the classical shell theory with first-order shear deformation theory which accounts for through thickness shear flexibility are employed. The finite strip method is applied to five different shell theories, namely, Donnell, Reissner, Sanders, Novozhilov, and Teng. The approximate procedure is compared favorably with three-dimensional finite elements. Finally, a detailed numerical study is carried out to bring out the effects of power-law index of the functional graded material, stiffeners, and geometry of the shells on the difference between various shell theories. Finally, the importance of choosing the shell theory in simulating the functionally graded cylindrical shells is addressed.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.317-324
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2004
Shape design optimization of shell structure is implemented on a basis of integrated framework of geometric modeling and finite element analysis which is constructed on the geometrically exact shell theory. This shell theory enables more accurate and robust analysis for complicated shell structures, and it fits for the nature of B-spline function which Is popular modeling scheme in CAD field. Shape of laminated composite shells is optimized through genetic algorithm and sequential linear programming, because there ire numerous optima for various configurations, constraints, and searching paths. Sequential adaptation of global and local optimization makes the process more efficient. Two different optimized results of laminated composite shell structures to minimize strain energy are shown for different layup sequence.
This paper deals with the free vibrations of truncated conical shell with uniform thickness by the transfer influence coefficient method. The classical thin shell theory based upon the $Fl\ddot{u}gge$ theory is assumed and the governing equations of a conical shell are written as a coupled set of first order differential equations using the transfer matrix. The Runge-Kutta-Gill integration and bisection method are used to solve the governing differential equations and to compute the eigenvalues respectively. The natural frequencies and corresponding mode shapes are calculated numerically for the truncated conical shell with any combination of boundary conditions at the edges. And all boundary conditions and the intermediate supports between conical shell and foundation could be treated only by adequately varying the values of the spring constants. Numerical results are compared with existing exact and numerical solutions of other methods.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.5
no.3
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pp.183-192
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1981
The present study gives an apprximate equation of circular cylindrical shell on the basis of Flugges's exact theory. The longitudinal bending moment .MU.$\_$x/ and circumferential strain .epsilon.$\_$.theta. are assumed to be small to be small and have been neglected. The governing equation of the cylindrical shell, which is generaly presented as 8th order partial differential equation, is reduced into a 4th order partial differential equation for axial coordinate. To verify the validity and accuracy of this approximate theory, the cantilever cylindrical shell subjected to a concentrated load is analyzed. The maximum errors of longitudinal stress and deflection are about 10 percent compared with the analysis by flugge's theory and are about 15 percent with experimental results.
Kim, H.S.;Lee, Y.S.;Yang, M.S.;Choi, M.H.;Ryu, C.H.
Proceedings of the KSME Conference
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2000.04a
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pp.242-247
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2000
In this study, the Rayleigh's energy method and the Rayleigh-Ritz method on the basis of Flugge's shell theory was used to analyze the dynamic characteristics of the scroll compressor housing with clamped boundary condition. The frequencies and mode shapes from theoretical calculation were compared with those of commercial finite element code, ANSYS. In order to validate the theory, modal test was also performed by impact test and FFT analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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