Accounting for geometric nonlinearity in finite element strength calculations of thin-walled shell-type structures

封面

如何引用文章

全文:

详细

Relevance. Currently, in connection with the wider spread of large-span thinwalled structures such as shells, an urgent issue is the development of computational algorithms for the strength calculation of such objects in a geometrically nonlinear formulation. Despite a significant number of publications on this issue, a rather important aspect remains the need to improve finite element models of such shells that would combine the relative simplicity of the resolving equations, allowance for shear deformations, compactness of the stiffness matrix being formed, the facilitated possibility of modeling and changing boundary conditions and etc. The aim of the work is to develop a finite element algorithm for calculating a thin shell with allowance for shear deformations in a geometrically nonlinear formulation using a finite element with a limited number of variable nodal parameters. Methods. As research tools, the numerical finite element method was chosen. The basic geometric relations between the increment of deformations and the increment of the components of the displacement vector and the increment of the components of the normal vector angle are obtained in two versions of the normal angle of the reference. The stiffness matrix and the column of nodal forces of the quadrangular finite element at the loading step were obtained by minimizing the Lagrange functional. Results. On the example of calculating a cylindrical panel rigidly clamped at the edges under the action of a concentrated force, the efficiency of the developed algorithm was shown in a geometrically nonlinear setting, taking into account the transverse shear strain.

作者简介

Yuriy Klochkov

Volgograd State Agricultural University

编辑信件的主要联系方式.
Email: klotchkov@bk.ru
SPIN 代码: 9436-3693

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Higher Mathematics

26 Universitetskii Ave., Volgograd, 400002, Russian Federation

Anatoliy Nikolaev

Volgograd State Agricultural University

Email: klotchkov@bk.ru
SPIN 代码: 2653-5484

Doctor of Technical Sciences, Professor

26 Universitetskii Ave., Volgograd, 400002, Russian Federation

Tlek Ishchanov

Volgograd State Agricultural University

Email: klotchkov@bk.ru
SPIN 代码: 1556-1368

Candidate of Technical Sciences, senior lecturer of the Department of Higher Mathematics

26 Universitetskii Ave., Volgograd, 400002, Russian Federation

Alexandr Andreev

Volgograd State Agricultural University

Email: klotchkov@bk.ru
SPIN 代码: 7568-5011

senior lecturer of the Department of Higher Mathematics

26 Universitetskii Ave., Volgograd, 400002, Russian Federation

Mikhail Klochkov

Lomonosov Moscow State University

Email: klotchkov@bk.ru
SPIN 代码: 2767-3955

4th-year student of the Faculty of Physics

1 Leninskiye Gory, Moscow, 119899, Russian Federation

参考

  1. Krivoshapko S.N., Gbaguidi-Aisse G.L. Geometry, static, vibration and bucking analysis and applications to thin elliptic paraboloid shells. The Open Construction and Building Technology Journal. 2016;(10):3–28.
  2. Krylova Ye.Yu., Papkova I.V., Saltykova O.A., Sinichkina A.O., Krys'ko V.A. Mathematical model of vibrations of the cylindrical shells, which are dimensionally dependent with the net structure, taking into account the Kirchhoff – Love hypotheses. Nonlinear World. 2018;16(4): 17–28. (In Russ.)
  3. Pyatikrestovskiy K.P., Travush V.I. Nonlinear Method Programming for Calculations of Statically Indeterminate Wooden Structures and Software Systems’ Communication to Development of Improved Design Standards. Academia. Architecture and construction. 2015;(2): 115–119. (In Russ.)
  4. Kim A.Yu., Polnikov S.V. Comparing the experi- mental and computational investigations of longspan air lentiform structure. Nauchnoe obozrenie [Scientific review]. 2016;(15):36–41. (In Russ.)
  5. Khayrullin F.S., Sakhbiev O.M. A method of determination of stress-strain state of 3D structures of complex form. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2016;(1):36–42. (In Russ.)
  6. Kozlov V.A. Stress and strain of multiply connected prismatic structures, mounted on a skewed crosssection. Russian Journal of Building Construction and Architecture. 2015;4(40):11–17. (In Russ.)
  7. Kayumov R.A., Shakirzyanov F.R., Gavryushin S.S. Modeling of the deformation process and evaluation of the bearing capacity of a thin-walled structure in the ground. Proceedings of Higher Educational Institutions. Маchine Building. 2014;(6):20–24. (In Russ.)
  8. Ignat’ev A.V., Ignat’ev V.A., Gazmatova E.A. Calculation of thin plates by the method of finite elements in the form of the classical mixed method with the exception of the move- ment of finite elements as a rigid whole. News of Higher Educational Institutions. Building. 2018;3(711):5–13. (In Russ.)
  9. Golovanov A.I., Tyuleneva O.N., Shigabutdinov A.F. Metod konechnih elementov v statike i dinamike tonko- stennyh konstruktsiy [The finite element method in statics and dynamics of thin-walled structures]. Moscow: Fizmatlit Publ; 2006. (In Russ.)
  10. Zheleznov L.P., Kabanov V.V., Boiko D.V. Nelineynoye deformirovaniye i ustoychivost' diskretno podkreplennykh ellipticheskikh tsilindricheskikh kompozitnykh obolochek pri kruchenii i vnutrennem davlenii [Nonlinear Deformation and Stability of Discrete-Reinforced Elliptical Cylindrical Composite Shells under Torsion and Internal Pressure]. Izv. VUZov. Aviatsionnaya tekhnika. 2018;(2):27–34. (In Russ.)
  11. Tyukalov Yu.Ya. Finite element models in stresses for bending plates. Magazine of Civil Engineering. 2018; 6(82):170–190. doi: 10.18720/MCE.82.16.
  12. Agapov V.P., Aydemirov K.R. Calculation of Trusses by Finite-Element Method with Due Regard for Geometric Non-Linearity. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel’stvo [Industrial and civil engineering]. 2016;(11):4–7. (In Russ.)
  13. Belostotskiy A.M., Akimov P.A., Aul A.A., Dmitriyev D.S., Dyadchenko Yu.N., Nagibovich A.I., Ostrovskiy K.I., Pavlov A.S. Analysis of Mechanical Safetyof Stadiums for the World Cup 2018. Academia. Architecture and construction. 2018;(3):118–129. (In Russ.)
  14. Nguyen N., Waas A. Nonlinear, finite deformation, finite element analysise. Z. Angew. Math. Phys. 2016; 9(67):351–352. https://doi.org/10.1007/s00033-016-0623-5
  15. Lei Z., Gillot F., Jezequel L. Developments of the mixed grid isogeometric Reissner – Mindlin shell: serendipity basis and modified reduced quadrature. Int. J. Mech. 2015;(54):105–119.
  16. Hanslo P., Larson M.G., Larson F. Tangential differential calculus and the finite element modeling of a large deformation elastic membrane problem. Comput. Mech. 2015;56(1):87–95.
  17. Yamashita H., Valkeapaa A.I., Jayakumar P., Syqiyama H. Continuum mechanics based bilinear shear deformable shell element using absolute nodal coordinate formulation. Trans. ASME. J. Comput. And Nonlinear Dyn. 2015;10(5):051012,1–051012,9.
  18. Ren H. Fast and robust full-guad-rature triangular elements for thin plates/shells, with large deformations and large rotations. Trans. ASME. J. Comput. And Nonlinear Dyn. 2015;10 (5):051018/1–051018/13.
  19. Sartorato M., Medeiros R., Tita V. A finite element formulation for smart piezollectric composite shells: Mathematical formulation, computational analysis and experimental evaluation. Compos. Struct. 2015;127(1):185–198.
  20. Lalin V., Rybakov V., Sergey A. The Finite Elements for Design of Frame of Thin-Walled Beams. Applied Mechanics and Materials. 2014;578–579:858–863. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.578-579.858
  21. Rikards R.B. Metod konechnykh elementov v teorii obolochek i plastin [Finite element method in the theory of shells and plates]. Riga: Zinatne Publ.; 1988. (In Russ.)
  22. Sedov L.I. Mehanika sploshnoi sredi [Continuum mechanics]. Moscow: Nauka Publ.; 1976. (In Russ.)
  23. Novozhilov V.V. Teoriya tonkikh obolochek [Theory of thin shells]. Saint Petersburg: Publishing House of Saint Petersburg University; 2010. (In Russ.)
  24. Papenhausen J. Eine energiegrechte, incrementelle for mulierung der geometrisch nichtlinearen Theorie elastischer Kontinua und ihre numerische Behandlung mit Hilfe finite Elemente. Techn. – Wiss. Mitt. Jnst. Konstr. Jngenierlau Ruhr. Univ. Bochum. 1975;13(III):133.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

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».