Modeling of Dynamic Thermo-Elastic-Viscous-Plastic Deformation of Flexible Shallow Reinforced Shells

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A mathematical model of non-isothermal elastic-viscous-plastic deformation of flexible shallow shells with multidirectional reinforcement structures has been developed. Wave processes and weak resistance to transverse shear in curved panels are modeled in terms of Ambartsumian’s bending theory. The geometric nonlinearity of the problem is taken into account in the Karman approximation. The composition components are assumed to be isotropic materials, and their plasticity is described by the flow theory with a loading function depending on the strain rate and temperature. The connectedness of the thermomechanical problem under dynamic loading of composite shallow shells is taken into account. In the transverse direction of constructions, the temperature is approximated by a 7th order polynomial. The formulated two-dimensional nonlinear initial-boundary value problem is solved using an explicit numerical scheme of time steps. The thermo-elastic-visco-plastic and thermo-elastic-plastic behavior of fiberglass and metal-composite shallow shells orthogonally reinforced in two tangential directions, loaded in the transverse direction by an air blast wave, has been studied. It is shown that flexible curved fiberglass panels at certain points can additionally heat up by 14…27°C, and similar metal-composite conctructions – by 70°С or more. In this case, peak temperature values are kept at short-term intervals – on the order of fractions of 1 ms. It is shown that, unlike flexible plates, similar shallow shells (with the same reinforcement structure and the same characteristic dimensions) under dynamic loading in the transverse direction must be calculated not only taking into account the dependence of the plastic properties of the composition components on their strain rate, but also taking into account thermal response in such thin-walled constructions. A more intense inelastic deformation of curved composite panels is observed when they are loaded from the side of the convex front surface.

About the authors

A. P. Yankovskii

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Author for correspondence.
Email: lab4nemir@rambler.ru
Russia, Novosibirsk

References

  1. Bannister M. Challenger for composites into the next millennium – a reinforcement perspective // Composites, 2001, pt. A 32, pp. 901–910.
  2. Mouritz A.P., Gellert E., Burchill P., Challis K. Review of advanced composite structures for naval ships and submarines // Compos. Struct., 2001, vol. 53, no. 1, pp. 21–42.
  3. Gill S.K., Gupta M., Satsangi P. Prediction of cutting forces in machining of unidirectional glass-fiber-reinforced plastic composites // Frontiers Mech. Eng., 2013, vol. 8, no. 2, pp. 187–200.
  4. Soutis C. Fibre reinforced composites in aircraft construction // Progress in Aerosp. Sci., 2005, vol. 41, no. 2, pp. 143–151.
  5. Abrosimov N.A., Bazhenov V.G. Nonlinear Problems of Dynamics Composites Designs. N. Novgorod: Nizhniy Novgorod State Univ., 2002. 400 p. (in Russian)
  6. Kazanci Z. Dynamic response of composite sandwich plates subjected to time-dependent pressure pulses // Int. J. Non-Lin. Mech., 2011, vol. 46, pp. 807–817.
  7. Solomonov Yu.S., Georgievskii V.P., Nedbai A.Ya., Andriushin V.A. Applied Problems of Mechanics of Composite Cylindrical Shells. Moscow: Fizmatlit, 2014. 408 p. (in Russian)
  8. Dimitrienko Yu.I. Mechanics of Composite Structures at High Temperatures. Moscow: Fizmatlit, 2019. 448 p. (in Russian)
  9. Handbook of Composites / Ed. by Lubin G. N.Y.: Springer, 1982. 786 p.
  10. Composite Materials. Handbook / Ed. by Karpinos D.M. Kiev: Nauk. Dumka, 1985. 592 p. (in Russian)
  11. Leu S.-Y., Hsu H.-C. Exact solutions for plastic responses of orthotropic strain-hardening rotating hollow cylinders // Int. J. Mech. Sci., 2010, vol. 52, pp. 1579–1587.
  12. Vena P., Gastaldi D., Contro R. Determination of the effective elastic-plastic response of metal-ceramic composites // Int. J. Plasticity, 2008, vol. 24, pp. 483–508.
  13. Brassart L., Stainier L., Doghri I., Delannay L. Homogenization of elasto-(visco) plastic composites based on an incremental variational principle // Int. J. Plasticity, 2012, vol. 36, pp. 86–112.
  14. Akhundov V.M. Incremental carcass theory of fibrous media under larger elastic and plastic deformations // Mech. Compos. Mater., 2015, vol. 51, no. 3, pp. 539–558.
  15. Alderliesten R.C., Benedictus R. Modelling of impact damage and dynamics in fibre-metal laminates. – A review // Int. J. Impact Eng., 2014, vol. 67, pp. 27–38.
  16. Qatu M.S., Sullivan R.W., Wang W. Recent research advances on the dynamic analysis of composite shells: 2000–2009 // Compos. Struct., 2010, vol. 93, pp. 14–31.
  17. Yankovskii A.P. Modeling of thermoelastic-visco-plastic deformation of flexible reinforced plates // Mech. Solids, 2022, vol. 57, no. 7, pp. 111–133. doi: 10.3103/S0025654422070184
  18. Bezukhov N.I., Bazhanov V.L., Gol′denblat I.I., Nikolaenko N.A., Sinyukov A.M. Calculations on Strength, Stability and Fluctuations in Conditions of High Temperatures. / Ed. by Gol′denblat I.I. Moscow: Mashinostroenie, 1965. 567 p. (in Russian)
  19. Encyclopedia of Physics. Vol. VIa/1, Mechanics of Solids I / Ed. by Truesdell C. Berlin; Heidelberg; N.Y.: Springer, 1973.
  20. Greshnov V.M. Physical and Mathematical Theory of Large Irreversible Deformations of Metals. Moscow: Fizmatlit, 2018. 232 p. (in Russian)
  21. Reissner E. On transverse vibrations of thin shallow elastic shells // Quart. Appl. Math., 1955, vol. 13, no. 2, pp. 169–176.
  22. Bogdanovich A.E. Nonlinear Problems of the Dynamics of Cylindrical Composite Shells. Riga: Zinatne, 1987. 295 p. (in Russian)
  23. Ambardzumyan S.A. The General Theory of Anisotropic Shells. Moscow: Nauka, 1974. 446 p. (in Russian)
  24. Reddy J.N. Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells: Theory and Analysis. N.Y.: CRC Press, 2004, 831 p.
  25. Andreev A.N. Elasticity and Thermo-Elasticity Layered Composite Shells. Mathematical Model and Some Aspects of the Numerical Analysis. Saarbrucken (Deutschland): Palmarium Acad. Pub., 2013. 93 p. (in Russian)
  26. Kulikov G.M. Thermo-elasticity flexible multilayered anisotropic shells // Mech. Solids, 1994, no. 2, pp. 33–42.
  27. Pikul′ V.V. Mechanics of Shells. Vladivostok: Dal′nauka, 2009. 536 p. (in Russian)
  28. Houlston R., DesRochers C.G. Nonlinear structural response of ship panels subjected to air blast loading // Computers&Struct., 1987, vol. 26, no. 1/2, pp. 1–15.
  29. Malmeister A.K., Tamuzh V.P., Teters G.A. Resistance of Rigid Polymeric Materials. Riga: Zinatne, 1972. 500 p. (in Russian)
  30. Khazhinskii G.M. Model of Deformation and Fracture of Metals. Moscow: Nauchny Mir, 2011. 231 p. (in Russian)
  31. Richtmyer R.D., Morton K.W. Difference Methods for Initial-Value Problems. N.Y.: John Wiley&Sons, 1967.
  32. Lukanin V.N., Shatrov M.G., Camfer G.M., Nechaev S.G., Ivanov I.E., Matyukhin L.M., Morozov K.A. Heat Engineering: Textbook for Universities / Ed. by Lucanin V.N. Moscow: Vysshya Shkola, 2003. 671 p. (in Russian)
  33. Zuev L.B., Danilov V.I. Physical Foundations of the Strength of Materials: Textbook. Dolgoprudny: Intellect Publ., 2013. 376 p. (in Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (118KB)
3.

Download (112KB)
4.

Download (137KB)
5.

Download (196KB)
6.

Download (197KB)
7.

Download (291KB)
8.

Download (213KB)

Copyright (c) 2023 А.П. Янковский

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».