Three-Field FEM in Shell Calculations with Options for Interpolation of the Sought Values

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

A three-field finite element of a quadrangular shape of a thin shell with nodal unknowns in the form of: displacements and their first derivatives has been developed; deformations and curvatures of the median surface; forces and moments of the middle surface.

The approximation of the required quantities was carried out in two versions. In the first version, the components of the displacement vector and the components of the strain and curvature tensors, as well as the force and moment tensors, were approximated using traditional shape functions as components of scalar fields. In the second version, tensor quantities were approximated through the corresponding tensors of nodal points, and only after coordinate transformations based on the relations of the used curvilinear coordinate system were approximating expressions for the components of the corresponding tensors obtained.

Specific examples show the effectiveness of using the second version of approximating expressions in shell calculations.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. Yu. Klochkov

Volgograd State Technical University

Author for correspondence.
Email: m.klo4koff@yandex.ru
Russian Federation, Volgograd

V. A. Pshenichkina

Volgograd State Technical University

Email: vap_hm@list.ru
Russian Federation, Volgograd

A. P. Nikolaev

Volgograd State Agricultural University

Email: anpetr40@yandex.ru
Russian Federation, Volgograd

Yu. V. Klochkov

Volgograd State Agricultural University

Email: klotchkov@bk.ru
Russian Federation, Volgograd

O. V. Vakhnina

Volgograd State Agricultural University

Email: ovahnina@bk.ru
Russian Federation, Volgograd

A. S. Andreev

Volgograd State Agricultural University

Email: aandreev.07.1988@gmail.com
Russian Federation, Volgograd

References

  1. Novozhilov V.V. Theory of Thin Shells. St. Petersburg: St. Petersburg Univ. Pub. House, 2010. 378 p. (in Russian)
  2. Balabukh L.I., Alfutov N.A., Usyukin V.I. Structural Mechanics of Rockets. Moscow: Higher School, 1984. 391 p. (in Russian)
  3. Balabukh L.I., Kolesnikov K.S., Zarubin V.S. et al. Fundamentals of Structural Mechanics of Rockets. Moscow: Higher School, 1969. 494 p. (in Russian)
  4. Obraztsov I.F., Vasiliev V.V., Bulychev L.I. et al. Structural mechanics of aircraft. Moscow: Mechanical Engineering, 1986. 536 p. (in Russian)
  5. Postnov V.A., Kharkhurim I.Ya. Finite Element Method in Calculations of Ship Structures. Leningrad: Shipbuilding, 1974. 342 p. (in Russian)
  6. Rickards R.B. Finite Element Method in the Theory of Shells and Plates. Riga: Znatne, 1988. 284 p. (in Russian)
  7. Sekulovich M. Finite Element Method. Moscow: Stroyizdat, 1993. 664 p. (in Russian)
  8. Schöllhammer D., Fries T.P. A Higher-order trace finite element method for shells // Numerical Methods in Engineering, 2021, vol. 122, no. 5. P. 1217–1238.
  9. Yeongbin Ko, Phill-Seung Lee, Klaus-Jürgen Bathe. A new 4-node MITC element for analysis of two-dimensional solids and its formulation in a shell element // Computers & Structures, 2017, vol. 192, pp. 34–49.
  10. Yakupov S.N., Kiyamov H.G., Yakupov N.M. Modeling a synthesized element of complex geometry based upon three-dimensional and two-dimensional finite elements // Lobachevskii J. of Mathematics, 2021, vol. 42, no 9, pp. 2263–2271.
  11. Nguyen Nhung, Waas Anthonym. Nonlinear, finite deformation, finite element analysis // ZAMP. Z. Angew. Math. and Phys, 2016, vol. 67, no. 9, pp. 35/1–35/24.
  12. Gao L., Wang C., Liu Z. et al. Theoretical aspects of selecting repeated unit cell model in micromechanical analysis using displacement-based finite element method // Chinese Journal of Aeronautics, 2017, vol. 30, no. 4, pp. 1417–1426.
  13. Jin He, Jiaxi Zhao, Chenbo Yin. Constitutive equations and stiffness related properties for elastic and hyperelastic solid surfaces: Theories and finite element implementations // International J. of Solids & Structures, 2020, vol. 202, no. 1, pp. 660–671.
  14. Dzhabrailov A.Sh., Nikolaev A.P., Klochkov Yu.V. et al. Finite element algorithm for calculating an ellipsoidal shell taking into account the displacement as a rigid whole // Appl. Math. & Mech., 2022, vol. 86, no. 2, pp. 251–262.
  15. Bakulin V.N. An effective model for layer-by-layer analysis of three-layer irregular shells of rotation of a cylindrical shape // Reports of the Academy of Sci., 2018, vol. 478, no. 2, pp. 148–152.
  16. Bakulin V.N. Model for layer-by-layer analysis of the stress-strain state of three-layer irregular shells of rotation of double curvature // Izv. RAS. MTT, 2020, no. 2, pp. 112–122.
  17. Bakulin V.N. An effective model of load-bearing layers for layer-by-layer analysis of the stress-strain state of three-layer cylindrical irregular shells of revolution // Izv. RAS. MTT, 2020, no. 3, pp. 82–92.
  18. Bakulin V.N. Layer-by-layer analysis of the stress-strain state of irregular three-layer shells of rotation of non-zero Gaussian curvature // Appl. Math. & Mech., 2021, vol. 85, no. 1, pp. 89–105.
  19. Bakulin V.N. Block-layer approach for analyzing the stress-strain state of three-layer irregular cylindrical shells of revolution // Appl. Math. & Mech., 2021, vol. 85, no. 3, pp. 383–395.
  20. Bakulin V.N. Model for analyzing the stress-strain state of three-layer cylindrical shells with rectangular cutouts // Izv. RAS. MTT, 2022, no. 1, pp. 122–132.
  21. Bakulin V.N. Refined model of layer-by-layer analysis of three-layer irregular conical shells // Reports of the Academy of Sciences, 2017, vol. 472, no. 3, pp. 272–277.
  22. Bakulin V.N. Testing a finite element model designed to study the stress-strain state of layered irregular shells // Math. Modeling, 2009, vol. 21, no. 8, pp. 121–128.
  23. Lalin V.V., Rybakov V.A., Ivanov S.S. et al. Mixed finite-element method in V.I. Slivker’s semi-shear thin-walled bar theory // Magazine of Civil Engineering, 2019, vol. 5, no. 89, pp. 79–93.
  24. Klochkov Yu., Pshenichkina V., Nikolaev A. et al. Stress-strain state of elastic shell based on mixed finite element // Magazine of Civil Eng., 2023, vol. 4, no. 120, pp. 12003.
  25. Klochkov Yu.V., Pshenichkina V.A., Nikolaev A.P. et al. Quadrangular finite element in a mixed FEM formulation for the calculation of thin shells of rotation // Structural Mechanics of Engineering Structures and Structures, 2023, vol. 19, no. 1, pp. 64–72.
  26. Magisano D., Liang K., Garcea G. et al. An efficient mixed variational reduced-order model formulation for nonlinear analyses of elastic shells // International J. for Numerical Methods in Engineering, 2018, vol. 113, no. 4, pp. 634–655.
  27. Antonietti P.F., Beirao da Veiga L., Scacchi S. et al. A C1 Virtual element method for the Cahn–Hilliard equation with polygonal meshes // SIAM J. Numer. Anal, 2016, vol. 54, no. 1, pp. 34–56.
  28. Chi H., Talischi C., Lopez-Pamies O. et al. A paradigm for higher order polygonal elements in finite elasticity // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg, 2016, vol. 306, pp. 216–251.
  29. Golovanov A.I., Tyuleneva O.N., Shigabutdinov A.F. Finite Element Method in the Statics and Dynamics of Thin-Walled Structures. Moscow: Fizmatlit, 2006. 392 p. (in Russian)
  30. Skopinsky V.N. Stresses in Intersecting Shells. Moscow: Fizmatlit, 2008. 400 p. (in Russian)
  31. Klochkov Yu.V., Nikolaev A.P., Sobolevskaya T.A. et al. The calculation of the ellipsoidal shell-based FEM with vector interpolation of displacements when the variable parameterisation of the middle surface // Lobachevskii Journal of Mathematics, 2020, vol. 41, no. 3, pp. 373–381.
  32. Dzhabrailov A.Sh., Nikolaev A.P., Klochkov Yu.V. et al. Taking into account displacement as a rigid body in the FEM algorithm when calculating shells of revolution // Izv. RAS. MTT, 2023, no. 6, pp. 23–38.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Calculation diagram of an elliptical ring with hinged support

Download (22KB)
3. Fig. 2. Calculation diagram of elliptical ring with spring support

Download (23KB)
4. Fig. 3. Calculation diagram of an elliptical cylinder with hinged support

Download (29KB)
5. Fig. 4. Calculation diagram of elliptical cylinder with spring support

Download (29KB)
6. Fig. 5. Plots of normal stress values σθθ at point B

Download (26KB)
7. Fig. 6. Plots of normal stress values σxx at point B

Download (27KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».