In this work, the linear vibration characteristics of $90^{\circ}$ pipe bends and their cylindrical and toroidal shell components are studied. The finite element method, based on shear-deformation shell elements, is used to carry out a vibration analysis of metallic multiple $90^{\circ}$ mitred pipe bends. Single, double, and triple mitred bends are considered, as well as a smooth bend. Sample natural frequencies and mode shapes are given. To validate the procedure, comparison of the natural frequencies is made with existing results for cylindrical and toroidal shells. The influence of the multiplicity of the bend, the boundary conditions, and the various geometric parameters on the natural frequency is described. The differential quadrature method, based on classical shell theory, is used to study the vibration of components of these bends. Regression formulas are derived for cylindrical shells (straight pipes) with one or two oblique edges, and for sectorial toroidal shells (curved pipes, pipe elbows). Two types of support are considered for each case. The results given provide information about the vibration characteristics of pipe bends over a wide range of the geometric parameters.
Two dimensional Analysis has been applied to most of tunnel lining design in these days. Two dimensional analysis uses beam or curved beam element for finite element method. But because the behaviors of tunnel concrete lining structure is near to shell, it is required to model the tunnel lining as shell structure for safety design of tunnel lining structure. In this paper, two dimensional analysis by beam element and the three dimensional analysis by shell element of tunnel concrete lining are studied, in which 3 type of tunnel lining and lateral pressure factors are considered. As results of the study, three dimensional analyses of the behavior of tunnel concrete lining structure considering lateral pressure factor shows that the moment of three dimensional analysis is greater than those of two dimensional analysis. The results shows that three dimensional analysis is necessary for safety design of tunnel lining.
The active vibration control of laminated composite shell has been performed with the optimized sensor/actuator system. PVDF film is used fur the material of sensor/actuator. Finite element method is utilized to model the whole structure including the piezoelectric sensor/actuator system, The distributed selective modal sensor/actuator system is established to prevent the adverse effect of spillover. In the finite element discretization process, the nine-node shell element with five nodal degrees of freedoms is used. Electrode patterns and lamination angles of sensor/actuator are optimized using genetic algorithm. Sensor is designed to minimize the observation spillover, and actuator is designed to minimize the system energy of the control modes under a given initial condition. Modal sensor/actuator profiles are optimized for the first and the second modes suppression of singly curved cantilevered composite shell structure. Discrete LQG method is used as a control law. The real time vibration control with profile optimized sensor/actuator system has been performed. Experimental result shows successful performance of the integrated structure for the active vibration control.
비대칭 박벽단면을 갖는 곡선보의 자유진동해석을 수행할 수 있는 유한요소 이론 및 엄밀해를 제시하기 위하여 가상일의 원리를 이용한 3차원 연속체의 운동방정식을 제시한다 박벽단면의 구속된 비틂효과를 고려하는 박벽 곡선보의 변위장을 도입하고 이를 연소체의 운동방정식에 대입하여 단면에 대해 적분함으로써 박벽 곡선보의 운동방정식을 유도한다. 단순지지되고 일축대칭단면을 갖는 박벽 곡선보의 면내 자유진동 모드에 대응하는엄밀해를 산정하였으며 곡선보를 유한요소로 분할하여 요소의 변위장을 요소 변위벡터에 관한 3차의 Hermitian 다항식으로 나타내고 이를 운동방정식에 대입함으로써 탄성강도행렬과 질량 행렬을 유도한다 또한 본 연구에서 얻어진 엄밀해와 곡선보요소를 이용한 유한요소 해석결과를 직선보요소 및 ABAQUS의 쉘요소를 이용하여 얻어진 결과와 비교 검토를 함으로써 본 연구의 타당성을 입증한다.
An improved shear deformable thin-walled curved beam theory to overcome the drawback of currently available beam theories is newly proposed for the spatially coupled free vibration and elastic analysis. For this, the displacement field considering the shear deformation effects is presented by introducing displacement parameters defined at the centroid and shear center axes. Next the elastic strain and kinetic energies considering the shear effects due to the shear forces and the restrained warping torsion are rigorously derived. Then the equilibrium equations are consistently derived for curved beams with non-symmetric thin-walled sections. It should be noticed that this formulation can be easily reduced to the warping-free beam theory by simply putting the sectional properties associated with warping to zero for curved beams with L- or T-shaped sections. Finally in order to illustrate the validity and the accuracy of this study, finite element solutions using the isoparametric curved beam elements are presented and compared with those in available references and ABAQUS's shell elements.
This paper presents effects of anisotropy and curvature on free vibration characteristics of cross-ply laminated composite cylindrical shallow shells. Shallow shells have been considered for different lamination thickness, radius of curvature and elasticity ratio. First, kinematic relations of strains and deformation have been showed. Then, using Hamilton's principle, governing differential equations have been obtained for a general curved shell. In the next step, stress-strain relation for laminated, cross-ply composite shells has been given. By using some simplifications and assuming Fourier series as a displacement field, differential equations are solved by matrix algebra for shallow shells. The results obtained by this solution have been given tables and graphs. The comparisons made with the literature and finite element program (ANSYS).
The thermal buckling temperature values of the graded carbon nanotube reinforced composite shell structure is explored using higher-order mid-plane kinematics and multiscale constituent modeling under two different thermal fields. The critical values of buckling temperature including the effect of in-plane thermal loading are computed numerically by minimizing the final energy expression through a linear isoparametric finite element technique. The governing equation of the multiscale nanocomposite is derived via the variational principle including the geometrical distortion through Green-Lagrange strain. Additionally, the model includes different grading patterns of nanotube through the panel thickness to improve the structural strength. The reliability and accuracy of the developed finite element model are varified by comparison and convergence studies. Finally, the applicability of present developed model was highlight by enlighten several numerical examples for various type shell geometries and design parameters.
Most ships and offshore structures are equipped with a variety of pipes, which inevitably contain curved portions. The structural design of these pipes mostly relies on the commercial code, CAESAR-II, which was especially developed for the structural analysis of pipes. This study conducted stress analyses of the same pipe unit, including loops, using both CAESAR-II and MSC/NASTRAN, and compared the results to investigate the characteristics of CAESAR-II. A parametric study was then conducted of the various design variables of pipe loops using CAESAR-II to draw some useful information about the structural characteristics of the loops.
The numerical thermal frequency responses of the skew sandwich shell panels structure are investigated via a higher-order polynomial shear deformation theory including the thickness stretching effect. A customized MATLAB code is developed using the current mathematical model for the computational purpose. The finite element solution accuracy and consistency have been checked via solving different kinds of numerical benchmark examples taken from the literature. After confirming the standardization of the model, it is further extended to show the effect of different important geometrical parameters such as span-to-thickness ratios, aspect ratios, curvature ratios, core-to-face thickness ratios, skew angles, and support conditions on the frequencies of the sandwich composite flat/curved panel structure under elevated temperature environment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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