The effects of moisture and temperature on buckling of laminated composite cylindrical shell panels are investigated both numerically and experimentally. A quadratic isoparametric eight-noded shell element is used in the present analysis. First order shear deformation theory is used in the present finite element formulation for buckling analysis of shell panels subjected to hygrothermal loading. A program is developed using MATLAB for parametric study on the buckling of shell panels under hygrothermal field. Benchmark results on the critical loads of hygrothermally treated woven fiber glass/epoxy laminated composite cylindrical shell panels are obtained experimentally by using universal testing machine INSTRON 8862. The effects of curvature, lamination sequences, number of layers and aspect ratios on buckling of laminated composite cylindrical curved panels subjected to hygrothermal loading are considered. The results are presented showing the reduction in buckling load of laminated composite shells with the increase in temperature and moisture concentrations.
Rezaiee-Pajand, Mohammad;Sobhani, Emad;Masoodi, Amir R.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.5
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pp.603-623
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2022
This article is dedicated to predict the natural frequencies of joined conical shell structures made of Functionally Graded Material (FGM). The structure includes two conical segments. The equivalent material properties are found by using the rule of mixture based on Voigt model. In addition, three well-known patterns are employed for distribution of material properties throughout the thickness of the structure. The main objective of the present research is to propose a novel exponential pattern and obtain the related equivalent material properties. Furthermore, the Donnell type shell theory is used to obtain the governing equations of motion. Note that these equations are obtained by employing First-order Shear Deformation Theory (FSDT). In order to discretize the governing system of differential equations, well-known and efficient semi-analytical scheme, namely Generalized Differential Quadrature Method (GDQM), is utilized. Different boundary conditions are considered for various types of single and joined conical shell structures. Moreover, an applicable modification is considered for the continuity conditions at intersection position. In the first step, the proposed formulation is verified by solving some well-known benchmark problems. Besides, some new numerical examples are analyzed to show the accuracy and high capability of the suggested technique. Additionally, several geometric and material parameters are studied numerically.
This paper dealt the free vibration analysis of thick truncated conical composite sandwich shells with transversely flexible cores and simply supported boundary conditions based on a new improved and enhanced higher order sandwich shell theory. Geometries were used in the present work for the consideration of different radii curvatures of the face sheets and the core was unique. The coupled governing partial differential equations were derived by the Hamilton's principle. The in-plane circumferential and axial stresses of the core were considered in the new enhanced model. The first order shear deformation theory was used for the inner and outer composite face sheets and for the core, a polynomial description of the displacement fields was assumed based on the second Frostig's model. The effects of types of boundary conditions, conical angles, length to radius ratio, core to shell thickness ratio and core radius to shell thickness ratio on the free vibration analysis of truncated conical composite sandwich shells were also studied. Numerical results are presented and compared with the latest results found in literature. Also, the results were validated with those derived by ABAQUS FE code.
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.
Large deflection dynamic responses of laminated composite cylindrical shells under impact are analyzed by the geometrically nonlinear finite element method based on a generalized Sander's shell theory with the first order transverse shear deformation and the von-Karman large deflection assumption. A modified indentation law with inelastic indentation is employed for the contact force. The nonlinear finite element equations of motion of shell and an impactor along with the contact laws are solved numerically using Newmark's time marching integration scheme in conjunction with Akay type successive iteration in each step. The ply failure region of the laminated shell is estimated using the Tsai- Wu quadratic interaction criteria. Numerical results, including the contact force histories, deflections and strains are presented and compared with the ones by linear analysis. The effect of the radius of curvature on the composite shell behaviors is investigated and discussed.
Shyam K. Chaudhary;Vishesh R. Kar;Karunesh K. Shukla
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.2
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pp.127-140
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2023
The present article focuses on the thermoelastic deformation behavior of inhomogeneous functionally graded metal/ceramic cylindrical shell structure with multiple perforations using 2D finite element approximation. Here, cylindrical shell structure is considered with single (1×1) and multiple (2×2, 3×3 and 4×4) perforations. The temperature-dependent elastic and thermal properties of functionally graded material are evaluated using Voigt's micromechanical material scheme via power-law function. The kinematics of the proposed model is based on the equivalent single-layer first-order shear deformation mid-plane theory with five degrees-of-freedom. Here, 2D isoparametric finite element solutions are obtained using eight-node quadrilateral elements. The mesh refinement of present finite element model is performed to confirm the appropriate number of elements and nodes for the analysis purpose. Subsequently, a comparison test is conducted to demonstrate the accuracy of present results. In later section, numerous numerical illustrations are demonstrated at different set of conditions by varying structural, material and loading parameters and that confirms the significance of various parameters such as power-law index, aspect ratio, thickness ratio, curvature ratio, number of perforations and temperature on the deformation characteristics of functionally graded cylindrical shell structure.
Nonlinear vibration and instability of cylindrical shell conveying fluid-nanoparticles mixture flow are studied in this article. The surrounding elastic medium is modeled by Pasternak foundation. Mixture rule is used for obtaining the effective viscosity and density of the fluid-nanoparticles mixture flow. The material properties of the elastic medium and cylindrical shell are assumed temperature-dependent. Employing first order shear deformation theory (FSDT), the motion equations are derived using energy method and Hamilton's principal. Differential quadrature method (DQM) is used for obtaining the frequency and critical fluid velocity. The effects of different parameters such as volume percent of nanoparticles, boundary conditions, geometrical parameters of cylindrical shell, temperature change, elastic foundation and fluid velocity are shown on the frequency and critical fluid velocity of the structure. Results show that with increasing volume percent of nanoparticles in the fluid, the frequency and critical fluid velocity will be increases.
This paper is presented to solve the buckling problem of functionally graded truncated conical shells subjected to displacement-dependent pressure which remains normal to the shell middle surface throughout the deformation process by the semi-analytical finite strip method. Material properties are assumed to be temperature dependent, and varied continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of a ceramic and metal. The governing equations are derived based on first-order shear deformation theory which accounts for through thickness shear flexibility with Sanders-type of kinematic nonlinearity. The element linear and geometric stiffness matrices are obtained using virtual work expression for functionally graded materials. The load stiffness also called pressure stiffness matrix which accounts for variation of load direction is derived for each strip and after assembling, global load stiffness matrix of the shell which may be un-symmetric is formed. The un-symmetric parts which are due to load non-uniformity and unconstrained boundaries have been separated. A detailed parametric study is carried out to quantify the effects of power-law index of functional graded material and shell geometry variations on the difference between follower and non-follower lateral buckling pressures. The results indicate that considering pressure stiffness which arises from follower action of pressure causes considerable reduction in estimating buckling pressure.
Vibration analysis of embedded functionally graded (FG)-carbon nanotubes (CNT)-reinforced piezoelectric cylindrical shell subjected to uniform and non-uniform temperature distributions are presented. The structure is subjected to an applied voltage in thickness direction which operates in control of vibration behavior of system. The CNT reinforcement is either uniformly distributed or functionally graded (FG) along the thickness direction indicated with FGV, FGO and FGX. Effective properties of nano-composite structure are estimated through Mixture low. The surrounding elastic foundation is simulated with spring and shear constants. The material properties of shell and elastic medium constants are assumed temperature-dependent. The motion equations are derived using Hamilton's principle applying first order shear deformation theory (FSDT). Based on differential cubature (DC) method, the frequency of nano-composite structure is obtained for different boundary conditions. A detailed parametric study is conducted to elucidate the influences of external applied voltage, elastic medium type, temperature distribution type, boundary conditions, volume percent and distribution type of CNT are shown on the frequency of system. In addition, the mode shapes of shell for the first and second modes are presented for different boundary conditions. Numerical results indicate that applying negative voltage yields to higher frequency. In addition, FGX distribution of CNT is better than other considered cases.
Meshless local collocation method produces much better conditioned matrices than meshless global collocation methods. In this paper, the meshless local collocation method based on thin plate spline radial basis function and first-order shear deformation theory are used to calculate the natural frequencies and mode shapes of laminated composite shells. Through numerical experiments, the accuracy and efficiency of present method are demonstrated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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