Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.21
no.2
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pp.19-27
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1984
An extension of the finite element method to the stability analysis of shells of revolution under static axisymmetric loading is presented in this paper. A systematic procedure for the formulation of the problem is based upon the principle of virtual work. This procedure results in an eigenvalue problem. For solution, the shell of revolution is discretized into a series of conical frusta. The buckling mode in the circumferential direction is assumed, this assumption makes the problem economical for the computing time. The present method is applied to a number of shells of revolution, under axial compression or lateral pressure, and comparision are made with other theoretical results. The results show good agreement each other. The effects of aspect ratio, boundary conditions and buckling modes on the buckling strength of shells of revolution are studied. Also the optimum shape of cylindrical shell under uniform axial compression is obtained from the view point of structural stability.
This paper presents a fuzzy optimum design of axisymmetrically loaded thin shells of revolution. This paper consists of two parts, namely: an elastic analysis using the new curved element for finite element analysis developed in this study for axisymmetrically loaded thin shells of revolution, and the volume optimization on the basis of results evaluated from the elastic analysis. The curved element to meridian direction is used to develop the computer program. The results obtained from the computer program are compared by exact solution of each analytic example. The fuzzy optimizations of thin shells of revolution are done using [Model 2] which is in the form of a conventional crisp objective function and constraints with non-membership function, and nonlinear optimum GINO (General Interactive Optimizer) programming. In this paper, design examples show that the fuzzy optimum designs of the steel water tank and the steel dome roof could provide significant cost savings.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.4
s.97
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pp.457-464
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2005
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of thick, complete (not truncated) conical shells of revolution, Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D). the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components $u_{r},\;u_{z},\;and\;u_{\theta}$ in the radial, axial, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in , and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the conical shells are formulated, the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four-digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of theconical shells. Novel numerical results are presented for thick, complete conical shells of revolution based upon the 3-D theory. Comparisons are also made between the frequencies from the present 3-D Ritz method and a 2-D thin shell theory.
This work uses tensor calculus to derive a complete set of three-dimensional field equations well-suited for determining the behavior of thick shells of revolution having arbitrary curvature and variable thickness. The material is assumed to be homogeneous, isotropic and linearly elastic. The equations are expressed in terms of coordinates tangent and normal to the shell middle surface. The relationships are combined to yield equations of motion in terms of orthogonal displacement components taken in the meridional, normal and circumferential directions. Strain energy and kinetic energy functionals are also presented. The equations of motion and energy functionals may be used to determine the static or dynamic displacements and stresses in shells of revolution, including free and forced vibration and wave propagation.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.4
no.4
s.14
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pp.113-128
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2004
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of solid paraboloidal and complete (that is, without a top opening) paraboloidal shells of revolution with variable wall thickness. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. The ends of the shell may be free or may be subjected to any degree of constraint. Displacement components $u_r,\;u_{\theta},\;and\;u_z$ in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in ${\theta}$, and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the paraboloidal shells of revolution are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the complete, shallow and deep paraboloidal shells of revolution with variable thickness. Numerical results are presented for a variety of paraboloidal shells having uniform or variable thickness, and being either shallow or deep. Frequencies for five solid paraboloids of different depth are also given. Comparisons are made between the frequencies from the present 3-D Ritz method and a 2-D thin shell theory.
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies of eccentric hemi-spherical shells of revolution with variable thickness. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components $u_r$, $u_{\Theta}$, and $u_z$ in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be periodic in ${\theta}$ and in time, and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential and kinetic energies of eccentric hemi-spherical shells with variable thickness are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to three or four-digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the shells. Numerical results are presented for a variety of eccentric hemi-spherical shells with variable thickness.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.4
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pp.419-429
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2003
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies of thick, hyperboloidal shells of revolution. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sub r/, u/sub θ/, u/sub z/ in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, we taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential(strain) and kinetic energies of the hyperboloidal shells are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the hyperboloidal shells of revolution. Numerical results are tabulated for eighteen configurations of completely free hyperboloidal shells of revolution having two different shell thickness ratios, three variant axis ratios, and three types of shell height ratios. Poisson's ratio (ν) is fixed at 0.3. Comparisons we made among the frequencies for these hyperboloidal shells and ones which ate cylindrical or nearly cylindrical( small meridional curvature. ) The method is applicable to thin hyperboloidal shells, as well as thick and very thick ones.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.3
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pp.399-407
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2002
A three-dimensional method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of hollow bodies of revolution (i.e., thick shells), not limited to straight line generators or constant thickness. The middle surface of the shell may have arbitrary curvatures, and the wall thickness may vary arbitrarily. Displacement components$U_\Phi, U_z, U_\theta$ in the meridional, normal and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in$\theta$, and algebraic polynomials in the$\Phi$and z directions. Potential(strain) and kinetic energies of the entire body are formulated, and upper bound values of the frequencies are obtained by minimizing the frequencies. As the degrees of the polynomials are increased, frequencies converge to the exact values. Novel numerical results are presented for two types of thick conical shells and thick spherical shell segments having linear thickness variations. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of both types of shells. The method is applicable to thin shells, as well as thick and very thick ones.
Any arbitrarily shaped laminated composite shells of revolution can be sum of the conical shell elements. Therefore, finite element model of conical shell element will be developed in this study. To verify consistency and validity of this model, natural vibrations of this model is compared with the analytical solution of cylindrical shell. Herein, an extensive parametric study is presented to assess the modeling capability of this model in class of laminated composite cylinders. It is seen that the proposed model provides highly accurate results with analytical solution. Once development of this conical shell element is done, any arbitrarily shaped composite shells of revolution can be easily analyzed.
A free vibration analysis is made of a moderately-thick toroidal shell based on a shear deformation (Timoshenko-Mindlin) shell theory. This work represents an extension of earlier work by the authors which was based on a thin (Kirchoff-Love) shell theory. The analysis uses a modal approach in the circumferential direction, and numerical results are found using the differential quadrature method (DQM). The analysis is first developed for a shell of revolution of arbitrary meridian, and then specialized to a complete circular toroidal shell. A second analysis, based on the three-dimensional theory of elasticity, is presented to cover thick shells. The shear deformation theory is validated by comparing calculated results with previously published results for fifteen cases, found using thin shell theory, moderately-thick shell theory, and the theory of elasticity. Consistent agreement is observed in the comparison of different results. New frequency results are then given for moderately-thick and thick toroidal shells, considered to be completely free. The results indicate the usefulness of the shear deformation theory in determining natural frequencies for toroidal shells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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