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.
A theoretical formulation for the analysis of free vibration of a cylindrical shell with a circular plate attached at an arbitrary axial position of the shell under various kinds of boundary conditions was derived and programed to get the numerical results for natural frequencies and mode shapes of the combined system. The boundary conditions of the shell to be considered here are clamped-free, clamped-simply supported, both ends clamped and both ends simply supported. The frequencies and mode shapes from theoretical calculation were compared with those of commercial finite element code, ANSYS. The results showed good agreement with those of ANSYS in frequencies and mode shapes. The program will contribute to the design optimization of a shell/plate combined system through the analysis of natural frequencies and mode shapes for the system.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1995.04b
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pp.314-319
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1995
The effect of liquid level on the natural frequencies and mode shapes of a partially liquid-filled circular cylindrical shell with various boundary conditions is investigated by means of a theoretical analysis based upon Fourier series expansion method and a finite element analysis using ANSYS computer program. Two dimensional mode shapes of the liquid-coupled shell structure are obtained by the ANSYS finite element analysis and show that the liquid level affect the nodal point movement. It is found that the variation of normalized naturalfrequencies (natural frequencies of liquid-filled shell/antural frequencies ofempty shell) to the liquid level is depend on the axial mode numbers and circumferential wave numbers. Additionally, it is found that the number of variational steps of normalized natural frequencies is identicial to that of axial nodal points of the mode shape.
A cable-stiffened cylindrical single-layer latticed shell that is reinforced by cable-stiffened system has superior stability behaviour compared with the ordinary cylindrical latticed shell. The layouts of cable-stiffened system are flexible in this structural system, and different layouts contribute different stiffness to the structure. However, the existed few research primarily focused on the simplest type of cable layouts, in which the grids of the latticed shell are diagonally stiffened by prestressed cables in-plane. This current work examines the stability behaviour of the cable-stiffened cylindrical latticed shells with two different types of cable layouts using nonlinear finite element analysis. A parametric study on the effect of cross-sectional of the cables, pretension in cables, joint stiffness, initial imperfections, load distributions and boundary conditions is presented. The findings are useful for the reference of the designer in using this type of structural system.
This study presents the free vibrational responses of bi-directional axially graded cylindrical shell panels using 3D graded finite element approximation under a temperature field. The cylindrical shell panel is graded in two directions and made of metal-ceramic materials. To extract material properties, the Voigt model is combined with a Power-law material distribution. Convergence and validation studies are performed on the developed computational model to ensure its accuracy and effectiveness. Furthermore, a parametric study is performed to evaluate the developed model, which demonstrates that geometrical parameters, imperfect materials (porosity), support conditions, and surface temperature all have a significant impact on the free vibration responses of a bi-directional axially graded cylindrical shell panel in a thermal environment.
Ultimate flexural buckling strength of cylindrical steel shells for the wind turbine tower structure was investigated by applying the geometrically and materially nonlinear finite element method. The effects of initial imperfection, radius to thickness ratio, and type of steel on the ultimate flexural strength of cylindrical shell were analyzed. The flexural strengths of cylindrical shells obtained by FEA were compared with design flexural strengths specified in Eurocode 3 and AISI. The shell buckling modes recommended in DNV-RP-C202 and the out-of-roundness tolerance and welding induced imperfections specified in Eurocode 3 were used in the nonlinear FE analysis as initial geometrical imperfections. The radius to thickness ratios of cylindrical shell in the range of 60 to 210 were considered and shells are assumed to be made of SM520 or HSB800 steel.
In this paper, the meshless local Petrov-Galerkin (MLPG) method is developed for dynamic analysis of non-symmetric nanocomposite cylindrical shell equations of elastic wave motion with nonlinear grading patterns under shock loading. The mechanical properties of the nanocomposite cylinder are obtained based on a micro-mechanical model. In this study, four kinds of grading patterns are assumed for carbon nanotube mechanical properties. The displacements can be approximated using shape function so, the multiquadrics (MQ) Radial Basis Functions (RBF) are used as the shape function. In order to discretize the derived equations in time domains, the Newmark time approximation scheme with suitable time step is used. To demonstrate the accuracy of the present method for dynamic analysis, at the first a problem verifies with analytical solution and then the present method compares with the finite element method (FEM), finally, the present method verifies by using the element free Galerkin (EFG) method. The comparison shows the high capacity and accuracy of the present method in the dynamic analysis of cylindrical shells. The capability of the present method to dynamic analysis of non-symmetric nanocomposite cylindrical shell is demonstrated by dynamic analysis of the cylinder with different kinds of grading patterns and angle of nanocomposite reinforcements. The present method shows high accuracy, efficiency and capability to dynamic analysis of non-symmetric nanocomposite cylindrical shell, which it furnishes a ground for a more flexible design.
Fiber metal laminates (FMLs) represent a high-performance family of hybrid materials which consist of thin metal sheets bonded together with alternating unidirectional fiber layers. In this study, the buckling behavior of a FML circular cylindrical shell under axial compression is investigated via both analytical and finite element approaches. The governing equations are derived based on the first-order shear deformation theory and solved by the Navier solution method. Also, the buckling load of a FML cylindrical shell is calculated using linear eigenvalue analysis in commercial finite element software, ABAQUS. Due to lack of experimental and analytical data for buckling behavior of FML cylindrical shells in the literature, the proposed model is simplified to the full-composite and full-metal cylindrical shells and buckling loads are compared with the available results. Afterwards, the effects of FML parameters such as metal volume fraction (MVF), composite fiber orientation, stacking sequence of layers and geometric parameters are studied on the buckling loads. Results show that the FML layup has the significant effect on the buckling loads of FML cylindrical shells in comparison to the full-composite and full-metal shells. Results of this paper hopefully provide a useful guideline for engineers to design an efficient and economical structure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.7
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pp.1738-1750
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1994
Both cylindrical cup drawing and square cup drawing are analyzed using membrane analysis as well as shell analysis by the elastic-plastic finite element method. An incremental formulation incorporating the effect of large deformation and normal anisotropy is used for the analysis of elastic-plastic non-steady deformation. The computed results are compared with the existing experimental results to show the validity of the analysis. Comparisons are made in the punch load and distribution of thickness strain between the membrane analysis and the shell analysis for both cylindrical and square cup drawing processes. In punch load, both analyses show very little difference and also show generally good agreement with the experiment. For the cylindrical cup deep drawing, the computed thickness strain of a membrane analysis, however, shows a wide difference with the experiment. In the shell analysis, the thickness strain shows good agrement with the experiment. For the square cup deep drawing, both membrane and shell analyses show a wide difference with experiment, this may be attributable to the ignorance of the shear deformation. Concludingly, it has been shown that the membrane approach shows a limitation for the deep drawing process in which the effect of bending is not negligible and more exact information on the thickness strain distribution is required.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.3
s.234
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pp.439-446
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2005
The theoretical method is developed to investigate the vibration characteristics of the combined cylindrical shells with an annular plate joined to the shell at any arbitrary axial position. The structural rotational coupling between shell and plate is simulated using the rotational artificial spring. For the translational coupling, the continuity conditions for the displacements of shell and plate are used. For the uncoupled annular plate, the transverse motion is considered and the in-plane motions are not. And the additional transverse and in-plane motions of the coupled annular plate by shell deformation are considered in analysis. Theoretical formulations are based on Love's thin shell theory. The frequency equation of the combined shell with an annular plate is derived using the Rayleigh-Ritz approach. The effect of inner-to-outer radius ratio, axial position and thickness of annular plate on vibration characteristics of combined cylindrical shells is studied. To demonstrate the validity of present theoretical method, the finite element analysis is performed.
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