Nonlinear Buckling of Cylindrical Shells Under Axial Compression

Nonlinear Buckling of Cylindrical Shells Under Axial Compression. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
CE 712-PhD Dissertation- Abubakr Musa.pdf
Restricted to Repository staff only until 14 May 2021.

Download (9MB)

Arabic Abstract

الانبعاج هو أكثر أنواع الفشل شيوعًا لدى القشريات الأسطوانية المتعرضة لقوى ضغط محورية. هذا يرجع أساسا إلى نصف القطر الكبير مقارنة مع سمك هذه القشريات مما يجعلها هياكل رقيقة جدا. لقد تم اكتشاف هذا السلوك منذ أكثر من قرن وخضع لتطور كبير من الانبعاج ذو الشكل المتناظر محوريا الى الانبعاج ذو الشكل غير المتناظر محوريا، من نظرية الانحراف الصغير إلى نظرية الانحراف الكبير (اللاخطية الهندسية)، من مادة خطية مرنة إلى مادة غير خطية (اللاخطية المادية) ومن قشريات مثالية مستديرة الى غير مثالية بتشوهات طفيفة نتيجة للتصنيع أو التجميع. قبل اكتشاف اللاخطيات الهندسية والمادية وإعتبار عيوب التصنيع أو التجميع في عملية التحليل، كان هناك تباين كبير بين النتائج التجريبية و النظرية ، ولكن هذه الاكتشافات حسنت النتائج النظرية بشكل كبير و قللت من عدم التطابق. في هذه الدراسة، تتم دراسة سلوك القشريات الدائرية الأسطوانية المعرضة لحمل محوري في مرحلتي الإنبعاج و ما بعد الإنبعاج مع الأخذ في الإعتبار اللاخطيات الهندسية و المادية و ذلك لحالات القشريات المثالية و الغير مثالية (نتيجة لتشوهات التصنيع). تُستخدم الإمكانات الحسابية الرمزية لبرنامج Mathematica لحالات القشريات المثالية المرنة، والتي تفيد للإستخدام فقط كمرجع للمصممين. يتم استخدام برنامج العناصر المحدودة ABAQUS للحصول على مرونة لمحاكاة المنشأة الحقيقية حيث توجد اللاخطيات الهندسية والمادية لقشريات غير مثالية بها العديد من تشوهات التصنيع والتجميع. يتم تناول أشكال مختلفة من العيوب في شكل القشريات في هذه الدراسة مثل عدم انتظام شكل الأسطوانة (الإنحراف عن الدوران) والتلف الموضعي في شكل صدمة خفيفة على سطح الأسطوانة. بناء على هذه الدراسة، تقترح منحنيات قدرة تحمل القشريات الأسطوانيات المثالية لمجموعة كبيرة من نسب القطر للسمك لإستخدامها كمرجع لتصميم هذا النوع من القشريات. تم شرح و تفصيل العديد من الإرشادات والخطوات الرئيسية لمحاكاة هذا النوع من القشريات في برامج العناصر المحدودة ليسهل على المصممين تبني أشكال مختلفة من العيوب مثل الإنحراف عن الدوران و التشوهات الموضعية على سطح الأسطوانة. أجريت دراسة حدية على تأثير الإنحراف عن الدوران. إحدى الدراسات الحدية المتوفرة حول تأثير الصدمة الموضعية الصغيرة على القشريات ذات نسب قطر لسمك صغيرة تم فحصها بدقة و قدمت التصحيحات المناسبة. كما تم إجراء دراسة حدية حول تأثير التشوه الموضعي على القشريات ذات نسب قطر لسمك كبيرة لدراسة أثر كل من مساحة، موضع، و عمق التشوه على مقاومة الإنبعاج لهذا النوع من القشريات الرقيقة.

English Abstract

Buckling is the most common type of failure associated with cylindrical shells subjected to axial compressive forces. This is mainly due to large radius to thickness ratio of such shells making them very thin structures. This behavior has been discovered more than a century ago and undergone a considerable development from axisymmetric to non-axisymmetric mode, from small-deflection theory to large-deflection theory (geometrical nonlinearity), from an elastic linear material to a nonlinear material (material nonlinearity) and from a perfect shell to an imperfect one. Prior to the discovery of the geometrical and material nonlinearities, and introduction of imperfections, there was exist a great discrepancy between the experimental results and the theoretical ones, but these discoveries highly improved the theoretical results towards reducing the mismatching. In this work, buckling and postbuckling behavior of axially compressed circular cylindrical shells are studied taking into account geometric and material nonlinearities of both perfect and imperfect shells. The symbolic computational capabilities of Mathematica software are utilized for cases of elastic perfect shells, which serves only as a reference for designers. The finite element software ABAQUS is utilized to have flexibility to simulate the real structure where there exists geometric and material nonlinearity in an imperfect shell. Different forms of imperfections in the shell geometry are tackled in this study such as irregularity in shape of the cylinder (out-of-roundness) and localized damage in the form of a dent. In the light of this investigation, capacity curves of the perfect shells are proposed for a large range of R/t ratios to be used as references for shell design. Guidelines and the key steps of FEM simulation are reported to make it easy for designers to adopt different forms of imperfections such as out-of-roundness and the localized dent. A parametric study on the effect of out-of-roundness imperfections is conducted. One of the available parametric studies on the effect of localized dent for small R/t ratios is critically examined and corrections provided. A parametric study on the effect of localized dent for shells with large R/t ratios is also conducted to study the effect of the dent: size, amplitude, and position on the buckling strength for case of thin shells.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Civil Engineering > Structural Engineering
Divisions: College Of Engineering Sciences > Civil Engineering Dept
Committee Advisor: Al-Gahtani, Husain J.
Committee Members: Sharif, Al-Farabi M. and Merah, Nesar and Al-Gadhib, Ali
Depositing User: ABUBAKR SIDDEEG MUSA (g201402940)
Date Deposited: 03 Jun 2020 07:04
Last Modified: 03 Jun 2020 07:04
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141543