Static Buckling of a Pre-loaded Complex Nano-composite Shell
This paper describes a technique for analyzing the phenomenon of static buckling of a pre-loaded complex nano-composite shell. Most of the works devoted to the analysis of complex structures consider vibration processes, while the phenomenon of buckling can be an important factor that limits the use...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English Russian |
| Опубліковано: |
Journal of Mechanical Engineering
2021
|
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/227511 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Journal of Mechanical Engineering |
Репозитарії
Journal of Mechanical Engineering| id |
journalsuranuajme-article-227511 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Journal of Mechanical Engineering |
| collection |
OJS |
| language |
English Russian |
| format |
Article |
| author |
Аврамов, К. В. Сахно, Н. Г. Успенский, Б. В. |
| spellingShingle |
Аврамов, К. В. Сахно, Н. Г. Успенский, Б. В. Static Buckling of a Pre-loaded Complex Nano-composite Shell |
| author_facet |
Аврамов, К. В. Сахно, Н. Г. Успенский, Б. В. |
| author_sort |
Аврамов, К. В. |
| title |
Static Buckling of a Pre-loaded Complex Nano-composite Shell |
| title_short |
Static Buckling of a Pre-loaded Complex Nano-composite Shell |
| title_full |
Static Buckling of a Pre-loaded Complex Nano-composite Shell |
| title_fullStr |
Static Buckling of a Pre-loaded Complex Nano-composite Shell |
| title_full_unstemmed |
Static Buckling of a Pre-loaded Complex Nano-composite Shell |
| title_sort |
static buckling of a pre-loaded complex nano-composite shell |
| title_alt |
Потеря статической устойчивости преднагруженной составной нанокомпозитной оболочки Втрата статичної стійкості попередньо навантаженої складеної нанокомпозитної оболонки |
| description |
This paper describes a technique for analyzing the phenomenon of static buckling of a pre-loaded complex nano-composite shell. Most of the works devoted to the analysis of complex structures consider vibration processes, while the phenomenon of buckling can be an important factor that limits the use of new materials in space-rocket hardware. A nano-composite constant-thickness shell consisting of two spherical covers and a cylindrical body is considered. It is acted upon by internal pressure and an axial compressive force. This shell simulates the fuel tank of a launch vehicle. Conditions under which the shell is deformed non-axisymmetrically, buckling statically, are investigated. A technique is proposed that allows the problem to be divided into the analysis of the pre-loaded state of the shell and the analysis of buckling. Further analysis is performed using a technique based on the high-order shear deformation theory and the Ritz method. The problem is discretized by representing the variables that determine the state of the shell in the form of expansions in basis functions with unknown coefficients. Thus, it is the expansion coefficients that become unknown in the problem. The problem of analyzing the pre-stressed state of a structure is reduced to solving a system of linear algebraic equations with respect to the expansion coefficients. The problem of buckling analysis can be reduced to the problem of eigenvalues. The solution to this problem makes it possible to find the minimum value of the compressive load at which the shell buckles, as well as the forms of buckling. The results of applying the developed technique were compared with those of finite element modeling of a structure made of the simplest nano-composite material. The comparison results indicate a high accuracy of the technique described. At the same time, the use of the finite element method for the analysis of large-scale thin-walled structures made of functionally gradient materials is extremely difficult, in contrast to the methodology proposed in the paper. Comparison of various types of nano-reinforcement showed that a rational choice of the type of reinforcement can significantly increase the critical load. In this case, the internal pressure on the shell also significantly affects the critical load. |
| publisher |
Journal of Mechanical Engineering |
| publishDate |
2021 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/227511 |
| work_keys_str_mv |
AT avramovkv staticbucklingofapreloadedcomplexnanocompositeshell AT sahnong staticbucklingofapreloadedcomplexnanocompositeshell AT uspenskijbv staticbucklingofapreloadedcomplexnanocompositeshell AT avramovkv poterâstatičeskojustojčivostiprednagružennojsostavnojnanokompozitnojoboločki AT sahnong poterâstatičeskojustojčivostiprednagružennojsostavnojnanokompozitnojoboločki AT uspenskijbv poterâstatičeskojustojčivostiprednagružennojsostavnojnanokompozitnojoboločki AT avramovkv vtratastatičnoístíjkostípoperednʹonavantaženoískladenoínanokompozitnoíobolonki AT sahnong vtratastatičnoístíjkostípoperednʹonavantaženoískladenoínanokompozitnoíobolonki AT uspenskijbv vtratastatičnoístíjkostípoperednʹonavantaženoískladenoínanokompozitnoíobolonki |
| first_indexed |
2024-06-01T14:44:30Z |
| last_indexed |
2024-06-01T14:44:30Z |
| _version_ |
1800670355869663232 |
| spelling |
journalsuranuajme-article-2275112021-03-30T10:28:16Z Static Buckling of a Pre-loaded Complex Nano-composite Shell Потеря статической устойчивости преднагруженной составной нанокомпозитной оболочки Втрата статичної стійкості попередньо навантаженої складеної нанокомпозитної оболонки Аврамов, К. В. Сахно, Н. Г. Успенский, Б. В. This paper describes a technique for analyzing the phenomenon of static buckling of a pre-loaded complex nano-composite shell. Most of the works devoted to the analysis of complex structures consider vibration processes, while the phenomenon of buckling can be an important factor that limits the use of new materials in space-rocket hardware. A nano-composite constant-thickness shell consisting of two spherical covers and a cylindrical body is considered. It is acted upon by internal pressure and an axial compressive force. This shell simulates the fuel tank of a launch vehicle. Conditions under which the shell is deformed non-axisymmetrically, buckling statically, are investigated. A technique is proposed that allows the problem to be divided into the analysis of the pre-loaded state of the shell and the analysis of buckling. Further analysis is performed using a technique based on the high-order shear deformation theory and the Ritz method. The problem is discretized by representing the variables that determine the state of the shell in the form of expansions in basis functions with unknown coefficients. Thus, it is the expansion coefficients that become unknown in the problem. The problem of analyzing the pre-stressed state of a structure is reduced to solving a system of linear algebraic equations with respect to the expansion coefficients. The problem of buckling analysis can be reduced to the problem of eigenvalues. The solution to this problem makes it possible to find the minimum value of the compressive load at which the shell buckles, as well as the forms of buckling. The results of applying the developed technique were compared with those of finite element modeling of a structure made of the simplest nano-composite material. The comparison results indicate a high accuracy of the technique described. At the same time, the use of the finite element method for the analysis of large-scale thin-walled structures made of functionally gradient materials is extremely difficult, in contrast to the methodology proposed in the paper. Comparison of various types of nano-reinforcement showed that a rational choice of the type of reinforcement can significantly increase the critical load. In this case, the internal pressure on the shell also significantly affects the critical load. В статье описывается методика анализа явления потери статической устойчивости преднагруженной нанокомпозитной составной оболочки. Большинство работ, посвященных анализу составных конструкций, рассматривает вибрационные процессы, тогда как явление потери устойчивости может быть важным фактором, ограничивающим использование новых материалов в ракетно-космической технике. Рассматривается нанокомпозитная оболочка постоянной толщины, состоящая из двух сферических крышек и цилиндрического корпуса, на которую действует внутреннее давление и осевая сжимающая сила. Эта оболочка моделирует топливный бак ракеты-носителя. Исследуются условия, при которых оболочка деформируется неосесимметрично, теряя статическую устойчивость. Предложена методика, позволяющая разделить задачу на анализ преднагруженного состояния оболочки и анализ потери устойчивости. Дальнейший анализ осуществляется с помощью методики, основанной на сдвиговой теории высокого порядка и методе Ритца. Производится дискретизация задачи путем представления переменных, определяющих состояние оболочки, в форме разложения по базисным функциям с неизвестными коэффициентами. Таким образом, неизвестными задачи становятся коэффициенты разложений. Задача анализа преднапряженного состояния конструкции сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений относительно коэффициентов разложений. Задача анализа потери устойчивости может быть сведена к задаче собственных значений. Решение этой задачи позволяет найти минимальное значение сжимающей нагрузки, при котором оболочка теряет устойчивость, а также формы потери устойчивости. Результаты применения разработанной методики сравнивались с результатами конечно-элементного моделирования на конструкции из простейшего нанокомпозитного материала. Результаты сравнения свидетельствуют о высокой точности описанной методики. При этом использование метода конечных элементов для анализа масштабных тонкостенных конструкций из функционально градиентных материалов чрезвычайно затруднительно, в отличие от предложенной в статье методики. Сравнение различных видов наноармирования показало, что рациональный выбор типа армирования может существенно повысить критическую нагрузку. При этом на критическую нагрузку также существенно влияет внутреннее давление на оболочку. У статті описано методику аналізу явища втрати статичної стійкості попередньо навантаженої нанокомпозитної складеної оболонки. Більшість робіт, які присвячено аналізу складених конструкцій, розглядають вібраційні процеси. Водночас явище втрати стійкості може стати важливим фактором, що обмежує використання нових матеріалів у ракетно-космічній техніці. Розглянуто нанокомпозитну оболонку постійної товщини, яка складається з двох сферичних кришок та циліндричного корпуса. На оболонку діє внутрішній тиск та осьова стискаюча сила. Така оболонка може моделювати паливний бак ракети-носія. Досліджуються умови, за яких оболонка деформується невісесиметрично внаслідок втрати статичної стійкості. Запропоновано методику, яка дозволяє розділити задачу на аналіз попередньо навантаженого стану оболонки та аналіз втрати стійкості. Подальший аналіз здійснюється допомогою методики, яка базується на теорії зсуву високого порядку та методі Рітца. Проводиться дискретизація задачі шляхом подання змінних, що визначають стан оболонки, в формі розкладень за базисними функціями з невідомими коефіцієнтами. Таким чином, невідомими задачі стають коефіцієнти розкладень. Задача аналізу попередньо навантаженого стану конструкції зводиться до розв’язання системи лінійних алгебраїчних рівнянь відносно коефіцієнтів розкладень. Задачу аналізу втрати стійкості може бути зведено до задачі власних значень. Розв’язавши цю задачу, можна знайти мінімальне значення стискаючого навантаження, що призводить до втрати стійкості оболонки, а також форми втрати стійкості. Результати застосування розробленої методики було порівняно з результатами скінченноелементного моделювання на конструкції з найпростішого нанокомпозитного матеріалу. Результати порівняння свідчать про високу точність описаної методики. При цьому використання методу скінченних елементів для аналізу масштабних тонкостінних конструкцій з функціонально градієнтних матеріалів є надзвичайно ускладненим, на відміну від методики, яку запропоновано у статті. Порівняння різних видів наноармування свідчить про те, що раціональний вибір типу армування може суттєво підвищити критичне навантаження. При цьому на критичне навантаження також значно впливає внутрішній тиск на оболонку. Journal of Mechanical Engineering Проблемы машиностроения Проблеми машинобудування 2021-03-30 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/227511 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 24 No. 1 (2021); 28-35 Проблемы машиностроения; Том 24 № 1 (2021); 28-35 Проблеми машинобудування; Том 24 № 1 (2021); 28-35 2709-2992 2709-2984 en ru https://journals.uran.ua/jme/article/view/227511/227255 https://journals.uran.ua/jme/article/view/227511/227256 Copyright (c) 2021 К. В. Аврамов, Н. Г. Сахно, Б. В. Успенский http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |