In this study an approximate method based on the continuum approach and transfer matrix method for static and dynamic analyses of stiffened multi-bay coupled shear walls is presented. In this method the whole structure is idealized as a sandwich beam. Initially the differential equation of this equivalent sandwich beam is written then shape functions for each storey is obtained by the solution of differential equations. By using boundary conditions and storey transfer matrices which are obtained by these shape functions, system modes and periods can be calculated. Reliability of the study is shown with a few examples. A computer program has been developed in MATLAB and numerical samples have been solved for demonstration of the reliability of this method. The results of the samples show the agreement between the present method and the other methods given in literature.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.7
s.178
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pp.1721-1730
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2000
An eccentric degenerated shell element with geometric non-linearity for the precise and efficient analysis of stiffened shell structures is developed. To deal with the eccentricity, we define the e ccentric shell and the master shell that constitute one combined shell. It is assumed that the sections remain plane after deformation. The internal force vector and the tangent stiffness matrix based on the virtual work principle in the natural coordinate system are derived. To enhance the robustness of the element, assumed strain method for transverse shear and membrane strains is used. Through numerical experiments the effectiveness of the proposed element is demonstrated.
One of the most common applications of ferrocement is the manufacturing of thin stiffened plates which are prone to buckling. This study focuses on the investigation of the behavior of a ferrocement plate, stiffened in both directions by means of an appropriate grid of ribs. In the present paper detailed three-dimensional numerical Finite Element models are formulated for the simulation of the behavior of the structure under study, which are able to take into account both the geometric and material non-linearities that are present in the subject at hand (plasticity, cracking, large displacements). The difference among the formulated models lies on the use of different types of finite elements. The numerical results obtained by each model are compared and the most efficient model is determined. Finally, this model is in the sequel used for the further investigation of the effect of different parameters on the ultimate load capacity, such as the initial out-of-plane imperfection of the plate and the interaction between the axial loads in both directions.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.2
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pp.209-220
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2000
For non-linear analysis of stiffened shell structures, the total Lagrangian formulation is presented based upon the degenerated shell element. Geometrically correct formulation is developed by updating the direction of normal vectors and taking into account second order rotational terms in the incremental displacement field. Assumed strain concept is adopted in order to overcome shear locking phenomena and to eliminate spurious zero energy mode. The post-buckling behaviors of stiffened shell structures are traced by modeling the stiffener as a shell element and considering general transformation between the main structure and the stiffener at the connection node. Numerical examples to demonstrate the accuracy and the effectiveness of the proposed shell element are presented and compared with references' results.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.23
no.4
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pp.574-582
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1999
This paper discusses the multi-level optimization method in dynamic optimization problems through stiffened plate of ship structures. In structural optimization the computational cost increases rapidly as the number of design variables increases. And we need a great amount of cal-culation and time on problems of modified dynamic characteristics of large and complicated struc-tures. In this paper the multi-level optimization is proposed which decreases computational time and cost. the dynamic optimum designs of stiffened plate that control the natural frequency and minimize weight subjected to constraints condition are derived. The way to apply the multi-level optimization methods in this study follow: In the first step the dynamic characteristics is controlled for the two-dimensional model of stiffened plate by sensitivity analysis and quasi-least squares methods. In the second step the cross-section of the stiffener is decided so that the weight is minimized under needed constraints by the steepest descent or ascent method. In the third the three-dimensional model is made based on the results of the first step and the second step confirmation and finer tuning of the objective function are carried out. It is shown that the results are effective in the optimum modification for dynamic characteristics of the stiffened plate.
With improvement in innovative manufacturing technologies, it became possible to fabricate any complex shaped structural design for practical applications. This allows for the fabrication of curvilinearly stiffened pressure vessels and pipes. Compared to straight stiffeners, curvilinear stiffeners have shown to have better structural performance and weight savings under certain loading conditions. In this paper, an optimization framework for designing curvilinearly stiffened composite pressure vessels and pipes is presented. NURBS are utilized to define curvilinear stiffeners over the surface of the pipe. An integrated tool using Python, Rhinoceros 3D, MSC.PATRAN and MSC.NASTRAN is implemented for performing the optimization. Rhinoceros 3D is used for creating the geometry, which later is exported to MSC.PATRAN for finite element model generation. Finally, MSC.NASTRAN is used for structural analysis. A Bi-Level Programming (BLP) optimization technique, consisting of Particle Swarm Optimization (PSO) and Gradient-Based Optimization (GBO), is used to find optimal locations of stiffeners, geometric dimensions for stiffener cross-sections and layer thickness for the composite skin. A cylindrical pipe stiffened by orthogonal and curvilinear stiffeners under torsional and bending load cases is studied. It is seen that curvilinear stiffeners can lead to a potential 10.8% weight saving in the structure as compared to the case of using straight stiffeners.
Kalgutkar, Akshay Prakash;Banerjee, Sauvik;Rajanna, T.
Steel and Composite Structures
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v.42
no.4
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pp.427-446
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2022
Cutouts in the beams or plates are often unavoidable due to inspection, maintenance, ventilation, structural aesthetics purpose, and sometimes to lighten the structures. Therefore, there will be a substantial reduction in the strength of the structure due to the introduction of the cutouts. However, these cutouts can be reinforced with the different patterns of ribs (stiffener) to enhance the strength of the structure. The present study highlights the influence of the elliptical cutout reinforced with a different pattern of ribs on the stability performance of such stiffened composite panels subjected to non-uniform edge loads by employing the Finite element (FE) technique. In the present formulation, a 9-noded heterosis element is used to model the skin, and a 3-noded isoparametric beam element is used to simulate the rib that is attached around a cutout in different patterns. The displacement compatibility condition is employed between the plate and stiffener, and arbitrary orientations are taken care by introducing respective transformation matrices. The effect of shear deformation and rotary inertia are incorporated in the formulation. A new mesh configuration is developed to house the attached ribs around an elliptical cutout with different patterns. Initially, a study is performed on the panels with different stiffener schemes for various ply orientations and for different stiffener depth to width ratios (ds/bs) to determine an optimal stiffener configuration. Further, various parametric studies are conducted on an obtained optimal stiffened panel to understand the effect of cutout size, cutout orientation, panel aspect ratio, and boundary conditions. Finally, from the analysis, it can be observed that the arrangement of the stiffener attached to a panel has a major impact on the buckling capacity of the stiffened panel. The stiffener's depth to width ratio also significantly influences the buckling characteristic.
The use of high-strength aluminum alloys for ship and offshore structure generally has many benefits compared to the structural steels. These materials are used widely in a variety of fields, especially in the hull and deck of high speed craft, box-girder of bridges, deck and side plates of offshore structure. The structural weight can be reduced using these aluminum structure, which can enable high speed The characteristics of stress-strain relationship of aluminum structure are fairly different from the steel one, because of the influence of Heat Affected Zone(HAZ) by the welding processing. The HAZ of aluminum is much wider than that of steel with its high heat conductivity. In this paper, the ultimate strength characteristics of aluminum stiffened panel subjected to axial loading, such as the relationship between extent of HAZ and the behavior of buckling/ultimate strength, are investigated through the Finite Element Analysis with varying its range.
Special Issue of the Society of Naval Architects of Korea
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2015.09a
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pp.56-62
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2015
In ship structure, many parts are in contact with inner or outer fluid as stern, ballast and oil tanks. Fatigue damages are sometimes observed in these tanks which seem to be caused by resonance with exciting force of engine and propeller. Vibration characteristics of these tanks in contact with fluid are significantly affected by fluid coupling effect. Therefore it is important to exactly predict vibration characteristics of tank structure. In order to estimate the vibration characteristics, the fluid-structure interaction(FSI) problem should be solved precisely. But it is difficult to estimate exactly the magnitude of the fluid coupling effect because it has some problems such as a fluid-structure interaction, influence by the free surface, vibration modes of structural panels and depth of water. In this paper, with fluid coupling effect, the effect of structural constraint between panels on the vibration characteristics are investigated numerically and discussed.
Ship structures are thin-walled structures and lots of cutouts, for example, of inner bottom structure, girder, upper deck hatch, floor and dia-frame etc. In the case where a plate has cutout it experiences reduced buckling and ultimate strength and at the same time the in-plane stress under compressive load produced by hull girder bending will be redistributed. In the present paper, we investigated several kinds of perforated stiffened model from actual ship structure and series of elasto-plastic large deflection analyses were performed to investigate into the influence of perforation on the buckling and ultimate strength of the perforated stiffened plate varying the cutout ratio, web height, thickness and type of cross-section by commercial FEA program(ANSYS). Closed-form formulas for predicting the ultimate strength of the perforated stiffened plate are empirically derived by curve fitting based on the Finite Element Analysis results. These formulas are used to evaluate the ultimate strength, which showed good correlation with FEM results. These results will be useful for evaluating the ultimate strength of the perforated stiffened plate in the preliminary design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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