EFFECT OF GEOMETRIC IMPERFECTIONS ON BUCKLING AND POST BUCKLING DEFORMATION OF FILAMENT WOUND CFRP CYLINDRICAL STRUCTURES UNDER AXIAL COMPRESSION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Sheriffdeen_Anafi_G202303970_MSc_Thesis_5.pdf Restricted to Repository staff only until 28 December 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

يُعَدُّ تصميمُ الأسطواناتِ الرقيقةِ غيرِ المدعَّمة والمعرّضةِ للانضغاطِ المحوري جانبًا حيويًا في هندسةِ الهياكلِ خفيفةِ الوزن، إذ يجب أن تتحمّل هذه المكوّنات الأحمالَ الانضغاطيةَ المطلوبة دون حدوثِ الانبعاجِ المبكر الذي قد يسبب انخفاضًا كبيرًا في قدرتها على تحمّلِ الأحمال وصلابتها. ومع ذلك، يُعَدُّ تحسينُ أداءِ الأسطواناتِ المركّبة تحديًا بارزًا نتيجةَ التفاعلِ المعقَّد بين خصائصِ الرقائق مثل اتجاهِ الألياف وترتيبِ الطبقات والتباينِ الميكانيكي للمادة، وهي جميعُها عواملُ تؤثر في سلوكِ الانبعاج. يتمثلُ الهدفُ الرئيس لهذا البحث في تطويرِ إطارِ تحسينٍ حسابي عالي الكفاءة لتعظيمِ حملِ الانبعاجِ الحرج للأسطواناتِ المركّبة عبر تصميمِ ترتيبٍ أمثل للطبقات. وقد تم اشتقاق نموذجٍ تحليلي بصيغةٍ مغلقة باستخدام برنامج Mathematica اعتمادًا على نظريةِ الصفائح المركّبة CLT مقترنةً بمعادلاتِ استقرار دونيل للتنبؤ نظريًا بحملِ الانبعاج الحرج. كما استُخدمت خوارزميةٌ وراثية في بيئة Python لتحديدِ الترتيب الأمثل للطبقات. وأظهرت التحليلات أن الترتيبات المثلى حققت زياداتٍ في أحمالِ الانبعاج مقارنةً بالطبقات التقليدية، مع توافقٍ قوي مع النتائج التحليلية ونتائج العناصر المحددة. وأُجريت دراسةٌ عملية باستخدام آلة اللف الحلزوني X-Winder للتحقق من دقة النموذج التحليلي ونموذجِ التحسين، وأظهرت النتائجُ توافقًا كبيرًا مع القيم المتنبأ بها تحليليًا عند تطبيقِ معاملِ الاختزال .KDF وتُبرز التحليلات أن دمجَ النمذجةِ التحليلية مع خوارزمياتِ التحسين التطورية يوفّر إطارًا قويًا وفعالًا حسابيًا لتحسين مقاومةِ الانبعاج في الأسطوانات المركّبة، مما يعزّز موثوقيةَ التصميم ويوفّر قيمةً تطبيقيةً مهمة لتطويرِ الهياكلِ خفيفةِ الوزن في التطبيقاتِ الجوية والهندسية عاليةِ الأداء.

English Abstract

The design of unstiffened thin-walled cylindrical shells under axial compression remains a critical aspect of lightweight structural engineering, as these components must sustain prescribed compressive loads without premature buckling, which can drastically reduce their load-carrying capacity and stiffness. However, the optimization of composite cylindrical shells presents a major challenge due to the complex interaction between laminate parameters such as ply orientation, stacking sequence, and material anisotropy, all of which significantly influence their buckling response. The main objective of this study is to develop a computationally efficient optimization framework that maximizes the critical buckling load of laminated composite cylindrical shells through optimal stacking sequence design. A Mathematica closed-form model was derived using Classical Lamination Theory in conjunction with Donnell’s shell stability equations to analytically predict the critical buckling load, while a Genetic Algorithm implemented in Python was employed to determine the optimal laminate configuration. Analysis revealed that the optimized stacking sequences obtained through the proposed framework yielded substantially higher buckling loads compared to baseline and conventional layups, exhibiting strong agreement with benchmark analytical and finite element results. Experimental study was conducted using X winder’s Filament winding machine to further validate the accuracy of the analytical and optimization model. The findings demonstrate a strong agreement between the experimental results and the analytical predictions when an appropriate Knockdown Factor (KDF) is applied. The analyses further show that combining analytical modelling with evolutionary optimization yields a robust and computationally efficient framework for improving the buckling resistance of composite cylindrical shells. This integrated approach enhances the reliability of design evaluation and offers significant practical value for developing advanced lightweight structures in aerospace and other high-performance engineering applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering Engineering Aerospace Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Committee Advisor:	Baluch, A.H
Committee Members:	Qasem, Naef A.A and Ghazzawi, Sultan Mohammedali
Depositing User:	SHERIFFDEE ANAFI (g202303970)
Date Deposited:	29 Dec 2025 07:13
Last Modified:	29 Dec 2025 07:13
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143918