ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-3-618-627ntv-38Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONАнализ устойчивости ортотропной цилиндрической оболочечной конструкции в программном комплексе ANSYS Mechanical APDLBuckling analysis of an orthotropic cylindrical shell structure in the ANSYS Mechanical APDL software packagehttps://orcid.org/0000-0002-4730-3469ПетровД. С.PetrovD. S.

Петров Дмитрий Сергеевич — старший преподаватель 

sc 57221258432 

Санкт-Петербург, 190005 

Dmitriy S. Petrov — Senior Lecturer 

sc 57221258432 

Saint Petersburg, 190005 

gsm1990@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9490-7364СеменовА. А.SemenovA. A.

Семенов Алексей Александрович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой

sc 56460436800 

Санкт-Петербург, 190005 

Alexey A. Semenov — PhD, Associate Professor, Head of Department 

sc 56460436800 

Saint Petersburg, 190005 

sw.semenov@gmail.comСанкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университетРоссияSaint Petersburg State University of Architecture and Civil EngineeringRussian Federation202311122024233618627Copyright © Петров Д.С., Семенов А.А., 20242024Петров Д.С., Семенов А.А.Petrov D.S., Semenov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/38

Введение. Большепролетные оболочечные конструкции широко используют в различных областях промышленности. Для обеспечения безопасных режимов их работы возникает необходимость разработки расчетных методик и исследования оболочечных конструкций на устойчивость под действием прикладываемой нагрузки. Традиционно эти данные получают с использованием аналитических и полуаналитических методов. Описан процесс определения критических нагрузок потери устойчивости и получения зависимостей «нагрузка– прогиб» с учетом больших деформаций. Предложена методика анализа устойчивости ортотропных оболочечных конструкций на основе функциональных возможностей конечноэлементных программных комплексов. Метод. Расчетная модель цилиндрической оболочечной конструкции представлена на основе метода конечных элементов в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL 2020. Проведены вычислительные эксперименты и сравнение устойчивости конструкций из различных материалов: сталь С345, оргстекло (полиметилметакрилат), углепластик M60J/Epoxy, стеклопластик Т-10/УПЭ22-27. Основные результаты. Показано, что программный комплекс ANSYS Mechanical APDL 2020 позволяет получить необходимые данные для построения зависимостей «нагрузка–прогиб». Для анализа больших деформаций комплекс можно использовать только при достаточно детальном описании параметров расчета и сделанных допущений для разных материалов. Получены значения критической равномерно распределенной нагрузки. Представлены графики зависимости прогиба от нагрузки. Исследован процесс деформирования с учетом геометрической нелинейности и собственного веса оболочечных конструкций. Обсуждение. Результаты расчетов могут быть применены для автоматизации расчетов оболочечных конструкций как альтернатива аналитическим методам.

Long-span shell structures are widely used in various industries. To ensure safe modes of operation, it becomes necessary to develop calculation methods and study shell structures for buckling under the applied load. Traditionally, these data are obtained using analytical and semi-analytical methods. This paper presents a description of the process of determining the critical buckling loads and obtaining the “load-deflection” dependences, taking into account large deformations. For this purpose, a method for analyzing the buckling of orthotropic shell structures based on the functionality of finite element software systems is proposed. The computational model of a cylindrical shell structure is presented based on the finite element method in the ANSYS Mechanical APDL 2020 software package. Computational experiments and a comparison of the buckling of structures made of various materials were carried out: steel S345, plexiglass (PMMA), CFRP M60J/Epoxy, GFRP T-10/UPE22-27. It is shown that the ANSYS Mechanical APDL 2020 software package makes it possible to obtain the necessary data for obtaining the “load-deflection” dependencies. For the analysis of large deformations, it can be used only with a sufficiently detailed description of the calculation parameters and the assumptions made for different materials. The values of the critical uniformly distributed load are obtained. Graphs of the dependence of the deflection on the load are presented. The process of deformation is studied, taking into account the geometric nonlinearity and the self-weight of shell structures. The calculation results can be used to automate the calculations of shell structures as an alternative to analytical methods.

цилиндрическая оболочкаортотропный материалустойчивостьметод конечных элементовANSYSгеометрическая нелинейностьпошаговое приложение нагрузкикритическая нагрузкаcylindrical shellorthotropic materialbucklingfinite element methodANSYSgeometric nonlinearitystep-by-step load applicationcritical buckling loadReferencesНаширалиев Ж.Т., Каргаева А.Т. Трудности проектирования и строительства пространственных тонкостенных оболочек // Academy. 2019. № 1(40). С. 17–19.Nashiraliev Zh.T., Kargaeva A.T. Difficulties in designing and building spatial thin-walled shells. Academy, 2019, no. 1(40), pp. 17–19. (in Russian)Антипов А.А., Артемьева А.А., Баженов В.Г., Жестков М.Н., Кибец А.И. Численное моделирование задачи устойчивости перфорированных оболочек // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2015. № 1. С. 21–30. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.02Antipov A.A., Artemyeva A.A., Bazhenov V.G., Zhestkov M.N., Kibec A.I. Numerical modelling of perforated shells stability. PNRPU Mechanics Bulletin, 2015, no. 1, pp. 21–30. (in Russian). https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.02Шклярчук Ф.Н. О задачах устойчивости упругих оболочек под действием гидростатического давления // Материалы XXI международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. 2015. С. 208–211.Shkliarchuk F.N. On stability problems for elastic shells under hydrostatic pressure. Proc. of the XXI International symposium «Dynamic and technological problems of a mechanics of constructions and continuous mediums» Dedicated to A.G. Gorshkov, 2015, pp. 208–211. (in Russian)Паймушин В.Н. О формах потери устойчивости цилиндрической оболочки при внешнем боковом давлении // Материалы XXI международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. 2015. С. 157–159.Paimushin V.N. On the forms of stability loss of a cylindrical shell under external lateral pressure. Proc. of the XXI International symposium «Dynamic and technological problems of a mechanics of constructions and continuous mediums» Dedicated to A.G. Gorshkov, 2015, pp. 157–159. (in Russian)Дубровин В.М., Бутина Т.А. Моделирование динамической устойчивости цилиндрической оболочки при действии осевой сжимающей нагрузки // Математическое моделирование и численные методы. 2015. № 2(6). С. 46–57.Dubrovin V.M., Butina T.A. Modeling of the dynamic stability of a cylindrical shell under the axial compressive load. Mathematical Modeling and Computational Methods, 2015, no. 2(6), pp. 46–57. (in Russian)Петров М.В., Федорова Т.Г., Гоник Е.Г. Экспериментальное исследование потери устойчивости тонкостенных оболочек при чистом изгибе // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2015. № 2(24). С. 119–125.Petrov M.V., Fedorova T.G., Gonic E.G. Experimental study of the buckling of thin-walled shells under pure bending. Bulletin of the Yakovlev Chuvash State Pedagogical University. Series: Mechanics of Limit State, 2015, no. 2(24), pp. 119–125. (in Russian)Бахтиева Л.У., Тазюков Ф.Х. Об устойчивости цилиндрической оболочки при осевом сжатии // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2015. № 1. С. 85–88.Bakhtieva L.U., Tazyukov F.Kh. Stability of a cylindrical shell under axial compression. Russian Aeronautics, 2015, vol. 58, no. 1. pp. 106–111. https://doi.org/10.3103/S1068799815010171Митрофанов О.В. Оценка устойчивости цилиндрических композитных оболочек при кручении с учетом использования гипотез модифицированной полубезмоментной теории // Актуальные проблемы современной науки. 2018. № 5(102). С. 267–271.Mitrofanov O.V. Estimation of the cylindrical composite shells stability in torsion, taking into account the use of hypotheses of the modified semi-membrane theory. Aktual'nye problemy sovremennoj nauki, 2018, no. 5(102), pp. 267–271. (in Russian)Ashok R.B., Srinivasa C.V., Suresh Y.J., Prema Kumar W.P. Buckling behaviour of cylindrical panels // Nonlinear Engineering. 2015. V. 4. N 2. P. 67–75. https://doi.org/10.1515/nleng-2014-0019Ashok R.B., Srinivasa C.V., Suresh Y.J., Prema Kumar W.P. Buckling behaviour of cylindrical panels. Nonlinear Engineering, 2015, vol. 4, no. 2, pp. 67–75. https://doi.org/10.1515/nleng-2014-0019Li D., Qing G., Liu Y. A layerwise/solid-element method for the composite stiffened laminated cylindrical shell structures // Composite Structures. 2013. V. 98. P. 215–227. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.11.013Li D., Qing G., Liu Y. A layerwise/solid-element method for the composite stiffened laminated cylindrical shell structures. Composite Structures, 2013, vol. 98, pp. 215–227. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.11.013Calladine C.R. Shell buckling, without ‘imperfections’ // Advances in Structural Engineering. 2018. V. 21. N 16. P. 2393–2403. https://doi.org/10.1177/1369433217751585Calladine C.R. Shell buckling, without ‘imperfections’. Advances in Structural Engineering, 2018, vol. 21, no. 16, pp. 2393–2403. https://doi.org/10.1177/1369433217751585Błachut J. Buckling of externally pressurized steel toriconical shells // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2016. V. 144. P. 25–34. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2016.05.002Błachut J. Buckling of externally pressurized steel toriconical shells. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2016, vol. 144, pp. 25–34. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2016.05.002Feng K., Xu J. Buckling analysis of composite cylindrical shell panels by using Legendre polynomials hierarchical finite-strip method // Journal of Engineering Mechanics. 2017. V. 143. N 4. P. 04016121. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001181Feng K., Xu J. Buckling analysis of composite cylindrical shell panels by using Legendre polynomials hierarchical finite-strip method. Journal of Engineering Mechanics, 2017, vol. 143, no. 4, pp. 04016121. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001181Qu Y., Chen Y., Long X., Hua H., Meng G. A modified variational approach for vibration analysis of ring-stiffened conical-cylindrical shell combinations // European Journal of Mechanics — A/Solids. 2013. V. 37. P. 200–215. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2012.06.006Qu Y., Chen Y., Long X., Hua H., Meng G. A modified variational approach for vibration analysis of ring-stiffened conical-cylindrical shell combinations. European Journal of Mechanics — A/Solids, 2013, vol. 37, pp. 200–215. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2012.06.006Trushin S., Goryachkin D. Numerical evaluation of stress-strain state of bending plates based on various models // Procedia Engineering. 2016. V. 153. P. 781–784. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.242Trushin S., Goryachkin D. Numerical evaluation of stress-strain state of bending plates based on various models. Procedia Engineering, 2016, vol. 153, pp. 781–784. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.242Petrov D., Semenov A. Buckling of cylindrical shell panels in ANSYS // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2315. N 1. P. 020032. https://doi.org/10.1063/5.0036813Petrov D., Semenov A. Buckling of cylindrical shell panels in ANSYS. AIP Conference Proceedings, 2020, vol. 2315, no. 1, pp. 020032. https://doi.org/10.1063/5.0036813Куимова Е.В., Труфанов Н.А. Численное прогнозирование эффективных термовязкоупругих характеристик однонаправленного волокнистого композита с вязкоупругими компонентами // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. 2009. № 4(70). С. 129–148.Kuimova E.V., Trufanov N.A. The numerical prediction of effective thermoviscoelastic properties of unidirectional fiber composite with the viscoelastic components. Vestnik of Samara University. Natural Science Series, 2009, no. 4(70), pp. 129–148. (in Russian)Соловьев А.Н., Зиборов Е.Н., Шевцов С.Н. Определение упругих свойств армированных композиционных материалов на основе конечно-элементного моделирования // Наука Юга России. 2016. Т. 12. № 2. С. 3–10.Soloviev A.N., Ziborov E.N., Shevtsov S.N. Determination of elastic properties of reinforced composite materials based on finite element modeling. Science in the South Russia, 2016, vol. 12, no. 2, pp. 3–10. (in Russian)Советова Ю.В., Сидоренко Ю.Н., Скрипняк В.А. Многоуровневый подход к исследованию влияния объемного соотношения компонентов волокнистого однонаправленного углепластика на его механические характеристики // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2014. № 2(28). С. 77–89.Sovetova Yu.V., Sidorenko Yu.N., Skripnyak V.A. The multilevel approach to studying the influence of the volumetric ratio in components of unidirectional carbon fiber composite on its mechanical properties. Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics, 2014, no. 2(28), pp. 77–89. (in Russian)Трусов П.В., Швейкин А.И. Многоуровневые модели моно- и поликристаллических материалов: теория, алгоритмы, примеры применения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2019. 605 с. https://doi.org/10.15372/MULTILEVEL2019TPVTrusov P.V., Shveikin A.I. Multilevel models of mono- and polycrystalline materials: theory, algorithms and applied examples. Novosibirsk, SBRAS, 2019, 605 p. (in Russian). https://doi.org/10.15372/MULTILEVEL2019TPVШвейкин А.И., Шарифуллина Э.Р., Трусов П.В., Пушков Д.А. Об оценке чувствительности статистических многоуровневых моделей поликристаллических металлов к возмущениям параметров // Вычислительная механика сплошных сред. 2018. Т. 11. № 2. С. 214–231. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.2.17Shveykin A.I., Sharifullina E.R., Trusov P.V., Pushkov D.A. About estimation of sensitivity of statistical multilevel polycrystalline metal models to parameter variations. Computational Continuum Mechanics, 2018, vol. 11, no. 2, pp. 214–231. (in Russian). https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.2.17Волынин А.Р. Сравнительный расчет прочности и устойчивости подкрепленных оболочек в программных комплексах «Оболочка» и ANSYS // Вестник гражданских инженеров. 2010. № 2(23). С. 38–43.Volynin A.L. Comparative calculation of strength and stability of reinforced shells with PC Obolochka and PC ANSYS. Bulletin of Civil Engineers, 2010, no. 2(23), pp. 38–43. (in Russian)Молчанов А.И., Молчанова Е.А. Решение инженерно-технических задач средствами ANSYS // Вестник Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова. 2012. № 1. С. 114– 120.Molchanov A.I., Molchanova E.A. Olution of engineering problems by means of ANSYS. Vestnik Hakasskogo gosudarstvennogo universiteta im. N.F. Katanova, 2012, no. 1, p. 114–120. (in Russian)Мануйлов Г.А., Косицын С.Б., Бегичев М.М. Исследования устойчивости упругих пластин и оболочек при помощи конечно-элементного моделирования // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011. № 1. С. 58–65.Manuylov G.A, Kositsyn S.B, Begichev M.M. The investigation of stability of elastic plates and shells with the help of FE modeling. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 2011, no. 1, pp. 58–65. (in Russian)Баранова Д.А., Волынин А.Л., Карпов В.В. Сравнительный анализ расчета прочности и устойчивости подкрепленных оболочек на основе ПК оболочка и ПК ANSYS // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Математика. Механика. Информатика. 2010. Т. 10. № 4. С. 23–27. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2010-10-4-23-27Baranova D.A., Volynin A.L., Karpov V.V. The comparative analysis of calculation of durability and stability of the supported shells on the basis of the PC Obolochka and PC ANSYS. Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics, 2010, vol. 10, no. 4, pp. 23–27. (in Russian). https://doi.org/10.18500/1816-9791-2010-10-4-23-27Колесников М.В. Численный анализ напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки при неоднородном в окружном направлении продольном сжатии // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. 2011. № 11-12(164-165). С. 66–72.Kolesnikov M. Numerical strain-stress state analysis of cylindrical shell undergoing periodical in circumferential direction axial loading. Visnyk Prydniprovs'koi' derzhavnoi' akademii' budivnyctva ta arhitektury, 2011, no. 11-12(164-165), pp. 66–72. (in Russian)Смердов А.А., Буянов И.А., Чуднов И.В. Анализ оптимальных сочетаний требований к разрабатываемым углепластикам для крупногабаритных ракетно-космических конструкций // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. № 8. С. 70– 77.Smerdov A.A., Buyanov I.A., Chudnov I.V. Analysis of optimal combinations of requirements to developed CFRP for large spacerocket designs. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2012, no. 8, pp. 70–77. (in Russian)Тышкевич В.Н. Выбор критерия прочности для труб из армированных пластиков // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2011. № 5(78). С. 76–79.Tyshkevich V.N. Choice of the strength criterion for reinforced plastic pipes. Izvestia VSTU, 2011, no. 5(78), pp. 76–79. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.