In this study, the stability of laminated homogeneous and non-homogeneous orthotropic truncated conical shells with freely supported edges under a uniform hydrostatic pressure is investigated. It is assumed that the composite material is orthotropic and the material properties depend only on the thickness coordinate. The basic relations, the modified Donnell type stability and compatibility equations have been obtained for laminated non-homogeneous orthotropic truncated conical shells. Applying Galerkin method to the foregoing equations, the expression for the critical hydrostatic pressure is obtained. The appropriate formulas for the single-layer and laminated, cylindrical and complete conical shells made of homogeneous and non-homogeneous, orthotropic and isotropic materials are found as a special case. Finally, effects of non-homogeneity, number and ordering of layers and variations of shell characteristics on the critical hydrostatic pressure are investigated.
This paper presents an analytical approach to calculate the buckling load of the cylindrical ring structures subjected to both hydrostatic and hydrodynamic pressures. Based on the conservative law of energy and Timoshenko beam theory, a theoretical formula, which can be used to evaluate the critical pressure of buckling, is first derived for the simplified cylindrical ring structures. It is assumed that the hydrodynamic pressure can be treated as an equivalent hydrostatic pressure as a cosine function along the perimeter while the thickness ratio is limited to 0.2. Note that this paper limits the deformed shape of the cylindrical ring structures to an elliptical shape. The proposed analytical solutions are then compared with the numerical simulations. The critical pressure is evaluated in this study considering two possible failure modes: ultimate failure and buckling failure. The results show that the proposed analytical solutions can correctly predict the critical pressure for both failure modes. However, it is not recommended to be used when the hydrostatic pressure is low or medium (less than 80% of the critical pressure) as the analytical solutions underestimate the critical pressure especially when the ultimate failure mode occurs. This implies that the proposed solutions can still be used properly when the subsea vehicles are located in the deep parts of the ocean where the hydrostatic pressure is high. The finding will further help improve the geometric design of subsea vehicles against both hydrostatic and hydrodynamic pressures to enhance its strength and stability when it moves underwater. It will also help to control the speed of the subsea vehicles especially they move close to the sea bottom to prevent a catastrophic failure.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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1997.03a
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pp.140-143
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1997
The present study is concerned with the hydrostatic extrusion process of copper-clad aluminium bar to investigate the basic flow characteristics. Considering the bonding mechanism of bi-metal contact surface as cold pressure welding, the normal pressure and the contact surface expansion are selected as process parameters governing the bonding condition. The critical pressure required for the bonding at the interface is obtained by solving a "local extrusion" using a slip line meyhod. A viscoplastic finite element method is used to analyze the steady state extrusion process. The boundary profile of bi-metal rod is predicted by tracking a particle path adjacent to interface surface. The variations of contact surface area and the normal pressure along the interface profile are predicted and compared to those by experiments.
Park, Hun-Jae;Na, Gyeong-Hwan;Jo, Nam-Seon;Lee, Yong-Sin
Transactions of Materials Processing
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v.7
no.1
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pp.66-71
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1998
The present study is concerned with the hydrostatic extrusion process of copper-clad aluminium bar to investigate the bonding conditions as well as the basic flow characteristics. Considering the bonding mechanism of bi-metal contact surface as cold pressure welding the normal pressure and the contact surface expansion are selected as process parameters governing the bonding conditions, in this study the critical normal pressure required for the local extrusion-the protrusion of virgin surfaces by the surface expansion at the interface-is obtained using a slip line method and is then used as a criteron for the bonding. A rigid plastic finite element method is used to analyze the steady state extrusion process. The interface profile of bi-metal rod is predicted by tracking the paths of two particles adja-process. The interface profile of bi-metal rod is predicted by tracking the paths of two particles adja-cent to interface surface. The contact surface area ration and the normal pressure along the interface are calculated and compared to the critical normal pressure to check bonding. It is found that the model predictions are generally in good agreement with the experimental observations. The compar-isons of the extrusion pressure and interface profile by the finite element with those by experi-ments are also given.
Najafov, A.M.;Sofiyev, A.H.;Hui, D.;Karaca, Z.;Kalpakci, V.;Ozcelik, M.
Steel and Composite Structures
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v.17
no.4
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pp.453-470
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2014
This article is the result of an investigation on the influence of a Pasternak elastic foundation on the stability of exponentially graded (EG) cylindrical shells under hydrostatic pressure, based on the first-order shear deformation theory (FOSDT) considering the shear stresses. The shear stresses shape function is distributed parabolic manner through the shell thickness. The governing equations of EG orthotropic cylindrical shells resting on the Pasternak elastic foundation on the basis of FOSDT are derived in the framework of Donnell-type shell theory. The novelty of present work is to achieve closed-form solutions for critical hydrostatic pressures of EG orthotropic cylindrical shells resting on Pasternak elastic foundation based on FOSDT. The expressions for critical hydrostatic pressures of EG orthotropic cylindrical shells with and without an elastic foundation based on CST are obtained, in special cases. Finally, the effects of Pasternak foundation, shear stresses, orthotropy and heterogeneity on critical hydrostatic pressures, based on FOSDT are investigated.
A new finite element model for the hydrostatic extrusion of a biaxial bar is introduced. In this model, a penalty contact algorithm, which is adopted to replace the traction boundary conditions due to the fluid in the container of the extruder, is incorporated into a consistent penalty finite element formulation for the viscoplastic deformation of a work piece during hydrostatic extrusion. Two parameters, introduced in the penalty contact algorithm in this study, a critical penalty contact pressure $P_0$ and a critical penalty contact distance $D_c$, are carefully examined for various process conditions. The proposed finite element model is applied to the hydrostatic extrusion of a Cu-clad Al bar. The extrusion loads and thickness ratios of the clad materials by the proposed model are compared in detail to values from experiments reported in the literature. Finally, it is concluded that the proposed finite element model is useful in practical implementations.
The collapsible phenomena of the circular tubes due to the excessive transmural pressure are investigated experimentally. Collapsible tubes are installed in the test section where the external pressure is applied to the test tubes by applying the hydrostatic head. The collapsible circular tubes are made of rubber, whose diameters are 6 and 4.2 mm, respectively. The hydrostatic water head of the upper reservoir is applied to the test section. Pressures at the upstream and downstream sides are measured by the pressure transducers. The collapsible phenomena are observed as the transmural pressure Increases, and also the flutter phenomenon occurs due to the critical transmural pressure.
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.
In this paper, we present a hydrostatic bearing design and rotordynamic analysis of a pump-and-drive turbine module for a 250-kW supercritical CO2 cycle application. The pump-and-drive turbine module consists of the pump and turbine wheel, assembled to a shaft supported by two hydrostatic radial and thrust bearings. The rated speed is 21,000 rpm and the rated power is 143 kW. For the bearing operation, we use high-pressure CO2 as the lubricant, which is supplied to the bearing through the orifice restrictor. We calculate the bearing stiffness and flow rate for various orifice diameters, and then select the diameter that provides the maximum bearing stiffness. We also conduct a rotordynamic analysis based on the design parameters of the pump-and-drive turbine module. The predicted Campbell diagram shows that there is no critical speed below the rated speed, owing to the high stiffness of the bearings. Furthermore, the predicted damping ratio indicates that there is no unstable mode. We conduct the operating tests for the pump and drive turbine modules within the supercritical CO2 cycle test loop. The pressurized CO2, at a temperature of 136℃, is supplied to the turbine and we monitor the shaft vibration during the test. The test results show that there is no critical speed below the rated speed, and the shaft vibration is controlled to below 3 ㎛.
This paper presents a hydrostatic bearing design and rotordynamic analysis of a turbo expander for a hydrogen liquefaction plant. Th~e turbo expander includes the turbine and compressor wheel assembled to a shaft supported by two hydrostatic radial and thrust bearings. The rated speed is 75,000 rpm and the rated power is 6 kW. For the bearing operation, we use pressurized air at 8.5 bar as the lubricant that is supplied to the bearing through the orifice restrictor. We calculate the bearing stiffness and flow rate for various gauge pressure ratios and select the orifice diameter providing the maximum bearing stiffness. Additionally, we conduct a rotordynamic analysis based on the calculated bearing stiffness and damping considering design parameters of the turbo expander. The predicted Cambell diagram indicates that there are two critical speeds under the rated speed and there exists a sufficient separation margin for the rated speed. In addition, the predicted rotor vibration is under 1 ㎛ at the rated speed. We conduct the operating test of the turbo expander in the test rig. For the operation, we supply pressurized air to the turbine and monitor the shaft vibration during the test. The test results show that there are two critical speeds under the rated speed, and the shaft vibration is controlled under 2.5 ㎛.
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