Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

A 16-node locking-free Mindlin plate resting on two-parameter elastic foundation – static and eigenvalue analysis

Buczkowski R., Taczała M., Kleiber M.

Computer Assisted Methods in Engineering and Science

|

2015

|

Vol. 22, no. 2

99--114

EN

The Pasternak elastic foundation model is employed to study the statics and natural frequencies of thick plates in the framework of the finite element method. A new 16-node Mindlin plate element of the Lagrange family and a 32-node zero-thickness interface element representing the response of the foundation are used in the analysis. The plate element avoids ill-conditioned behaviour due to its small thickness. In the case of the eigenvalue analysis, the equation of motion is derived by applying the Hamilton principle involving the variation of the kinetic and potential energy of the plate and foundation. Regarding the plate, the firstorder shear deformation theory is used. By employing the Lobatto numerical integration in which the integration points coincide with the element nodes, we obtain the diagonal form of the mass matrix of the plate. In practice, diagonal mass matrices are often employed due to their very attractive timeintegration schemes in explicit dynamic methods in which the inversion of the effective stiffness matrix as a linear combination of the damping and mass matrices is required. The numerical results of our analysis are verified using thin element based on the classical Kirchhoff theory and 16-node thick plate elements.

2

Metody obliczeniowe stateczności i nośności granicznej konstrukcji kadłuba okrętowego

Taczała M.

Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej. Wydział Techniki Morskiej

|

2008

|

Nr 605 (2)

3-165

PL

Celem pracy jest przedstawienie propozycji metody określania zależności pomiędzy odkształceniem i naprężeniem panelu ściskanego poddanego dowolnej kombinacji obciążeń: rozciągania i ściskania w dwóch kierunkach oraz ścinania. W pracy omówiono także metody wyznaczania nośności granicznej kadłuba oraz zaproponowano przybliżoną metodę analizy nośności z uwzględnieniem zginania, ścinania i skręcania.

EN

A ship hull is a complex structure composed of plating and stiffeners, subject to the action of diverse loads (the weight of the hull, cargo, ballast, equipment, buoyancy forces and wave forces), inducing both local and global effects, with the following cross-sectional forces: vertical and horizontal bending, vertical and horizontal shear and torsion. An analysis of longitudinal strength is a fundamental aspect in the evaluation of a ship hull structural strength, particularly overall bending due to the vertical bending moment. Other forces are less significant, though some are important for specific types of ships, an example being torsion of open-deck ships, particularly containerships, and shear in the case of bulk-carriers, where large shear forces appear between empty and full holds. Longitudinal strength is analysed by way of the method of permissible stresses, which are defined in the rules of classification societies. In recent years, requirements concerning the ultimate capacity of a ship hull have also appeared in the rules, resulting in the necessity for development of analysis methods. Ultimate limit states are the subject of this dissertation, including the ultimate capacity of ship hull structural elements subject to loads being an effect of the distribution of internal forces in the hull beam, as well as the ultimate capacity of the ship hull. A case of destruction due to yielding and buckling is considered under the following assumptions: structural material is ductile; excessive stress concentrations causing fatigue damage do not appear; the material is plastic; manufacturing failures related to welding which can result in cracking are disregarded. Computational methods applied in the analysis of the ultimate capacity of the ship hull and its structural elements are presented in the dissertation. The principal subject is the approximate methods applied due to the size and complexity of the real object. The investigations are focused mainly on the ultimate capacity of the ship hull subject to bending moments. The analysis of hull bending, assuming a flat cross-section hypothesis, is relatively simple. Shear and torsion of the ship hull are investigated less, for two reasons: these effects generally induce smaller stresses, and the analysis is much more complex since the out-of-plane deformations of the cross-section must be considered. The objective of the dissertation is to propose a method for evaluation of the stress-strain relationship of the ship panel subject to an arbitrary combination of loading: two-directional tension/compression and shear. The methods for evaluating the ship hull ultimate capacity are also presented and an approximate method including bending, shear and torsion is proposed. Chapter 1 introduces the problems of ship hull ultimate capacity. A brief description of loads acting on the ship hull and the methods of evaluation of their characteristics using the rules of classification societies are given in Chapter 2. The formulation and solution to the problem of elastic stability of stiffened ship panels employing two deformation models of stiffener web are given in Chapter 3. In the first model - rigid web - the assumption is accepted that the web is undeformed in cross-section while in the second -flexible web - such deformations are allowed. A comparison of results for both models is important, as the flexible web model requires much more computational effort. Elastic buckling stress is used for evaluating the panel ultimate capacity employing approximate formulations, as well as for evaluation of the stress-strain relationship for the panel. The proposed method is referred to as analytical-numerical because assumptions are made concerning the deformation mode, while the numerical approach is used for the solution to the problem. When applying approximate methods for analysis of the ship hull ultimate capacity, an important issue is to compute buckling stresses and evaluate the stress-strain relationship subject to complex loading. By employing the finite element method, arbitrary problem can be solved but the related computational effort is significant; therefore, approximate methods have become attractive. These methods are described in Chapter 4, where the procedure for construction of the stress-strain relationship for compressed panels, originally derived by Gordo and Soares, is presented. The method is - as are other approximate approaches - incapable of dealing with complex loading which is necessary for the analysis of ship hulls subject to bending, shear and torsion. Hence an approximate method for the evaluation of the response of ship panels subject to compression and shear is presented, based on the concept of the stiffened plate finite element. In this approach, identical displacement functions are employed for the plate and stiffeners. In Chapter 5 a proposition is presented for a method for evaluation of the ship hull ultimate capacity subject to all internal forces in the hull beam. A computational model of a thin-walled beam is applied, accepting the basic assumptions of one of the approximate methods -the Smith method - that the panels buckle between longitudinal and transversal girders. It implies division into structural elements - longitudinally and transversally stiffened panels. The stress-strain relationships according to the approach presented in Chapter 4 are evaluated for the panels and applied in the analysis of the ultimate capacity of the ship hull instead of constitutive relationships. Verification of the method, as applied in the analysis of a number of examples, proved that the results are consistent with those available in the literature. The dissertation is summarized in Chapter 6 where future investigations are also presented. The methods developed in the dissertation and their numerical implementation can be an effective approach to investigation of the ultimate capacity of a ship hull. The method can be implemented in computer codes supporting the process of designing and verifying ship structures, developed by the classification societies.

3

Buckling of I-core sandwich panels

Taczała M., Banasiak W.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2004

|

Vol. 42 nr 2

335-348

EN

Necessity of optimisation of ship hull structural mass calls for application of innovative materials and structural components. One option is based on using structural components with internal structure. The considered sandwich panels are composed of two plates stifenned by vertical ribs (I-core) or ribs of different shape (V-core). Such panels are applied as the ship hull structural components, replacing the conventional stiffened panels. They are subject to typical loadings acting in the ship hull; tension, compression and lateral loading. Analysis of stability of sandwich panels subject to compressive loading is presented in the paper. Stabilities of conventional and innovative ship panels were compared. Influence of the filling foam was also investigated.

PL

Optymalizacja masy kadłuba okrętowego wymaga zastosowania innowacyjnych materiałów i elementów konstrukcyjnych. Możliwe jest wykorzystanie elementów konstrukcyjnych ze strukturą wewnętrzną. Analizowane w pracy panele składają się z dwóch płyt usztywnionych żebrami pionowymi (I-core) lub żebrami innego kształtu (V-core). Panele takie stosowane są jako elementy konstrukcyjne kadłuba okrętowego zastępując konwencjonalne usztywnione panele. Poddane są one obciążeniu występującemu w kadłubie statku: rozciąganiu, ściskaniu i obciążeniu poprzecznemu. W pracy przedstawiono analizę stateczności sandwiczowych paneli typu I-core i V-core poddanych ściskaniu. Porównano stateczność konwencjonalnych i innowacyjnych paneli okrętowych. Zbadano także wpływ piany wypełniającej panele typu I-core.

4

Free vibrations of stiffened plates using finite element method

Taczała M., Buczkowski R.

Archives of Civil Engineering

|

2003

|

Vol. 49, nr 3

399-429

EN

Two finite element models (standard plate elements and eccentrically stiffened plate elements) have been considered. Rectangular orthogonally stiffened finite plate elements based on the Kirchoff and Mindlin-Reissner plate theories have been presented. Arbitrary number of stiffeners is allowed within the elements. Stiffness and mass matrices of the element were derived directly from the Hamilton principle. The stiffened plate elements were implemented in the finite element computer code. Results obtained using the considered models were verified against a number of references. Convergence of the stiffened plate elements was investigated. Problem of application of the eccentrically stiffened plate elements for modelling of typical ship structures was discussed.

PL

Opisano dwa sposoby modelowania usztywnionych płyt, z wykorzystaniem elementów płytowych oraz usztywnionych elementów płytowych. Przedstawiono prostokątne ortogonalnie usztywnione elementy skończone płytowo-tarczowe oparte na teorii płyt Kirchoffa oraz teorii Mindlina-Reissnera, w których może występować dowolna liczba usztywnień. Wprowadzono macierze sztywności oraz macierze mas elementów w oparciu o zasadę Hamiltona. Opracowano własny program komputerowy, a otrzymane wyniki dla różnych modeli porównano z wynikami numerycznymi i eksperymentalnymi dostępnymi w literaturze. Zbadana została zbieżność elementów płyty usztywnionej. Przedstawiono wyniki numeryczne dla typowych konstrukcji okrętowych przy zastosowaniu płytowych elementów usztywnionych.

5

Ultimate strength of ship hull in benditg and shear using simplified approach

Taczała M.

Marine Technology Transactions. Technika Morska

|

2001

|

Vol. 12

261-283

EN

The paper presents a method for analysis of the ship hulls subject to combination of vertical bending and shear force. The method is based on the Smith's concept of decomposition of ship hull into a number of elements: plates and stiffened panels. Stress-strain relationship based on elastic-plastic constitutive equations is evaluated for each element subject to tension/compression and shear separately. Results are combined to produce the ship hull response intenns of bending moment and shear force acting under specified curvatures of two cross-sections. Problem of various schemes of kinematic loading is discussed. The results obtained using the present method are validated against results of tests for Ostapenko beam. Presented are results of calculations for typical configuration of bulk-carrier.

PL

W artykule przedstawiono metodę analizy kadłubów okrętowych poddanych łącznemu działaniu mementu gnących i sił tnących. Metoda polega na wykorzystaniu koncepcji Smitha dekompozycji kadłuba okrętowego na elementy składowe, którymi są płyty i usztywnione panele. Związki pomiędzy naprężeniem i odksztalceniem, oparte są na równaniach konstytutywnych materiału w zakresie sprężysto-plastycznym, wyznaczane są osobno dla każdego elementu poddanego rozciąganiu/ściskaniu i ścinaniu. W ten sposób uzyskuje się odpowiedź kadłuba, moment gnący i siłę tnącą na wymuszenie kinematyczne realizowane jako przyrost krzywizny w dwóch przekrojach. Przedstawiono problem różnych sposóbow obciążenia kinematycznego. Wyniki uzyskane przy zastosowaniu przedstawionej metody porównano z wynikami testu dla belki Ostapenki. Przedstawiono wyniki obliczeń dla typowego zładu poprzecznego masowca.

6

Orthogonally stiffened plate element and its application for analysis of ship structures

Taczała M., Banasiak W.

Marine Technology Transactions. Technika Morska

|

2001

|

Vol. 12

285-306

EN

A rectangular orthogonally stiffened finite membrane-plate element based on the Korchoff thin plate theory has been presented in the paper. Any number of stiffeners can appear in the element siruated orthogonally. Stiffness matrix of the finite element computer code. Results obtained using the element were compared to the results of models built of four- and eight- node plate elements. The paper was completed by illustation of application of the element to the analysis of a real ship hull structure and conclusions.

PL

W pracy przedstawiono prostokątny ortogonalnie usztywniony element skończony płytowo-tarczowy oparty na teorii płyt cienkich Kirchoffa-Love'a. W elemencie może występować dowolna liczba usztywnień usytuowanych prostopadle do siebie. Wyprowadzono macierz sztywności elementu w oparciu o sformułowanie energrtyczne. Element zastosowano w programie metody elementów skończonych. Wyniki otrzymane przy jego zastosowaniu porównano z wynikami przykładów zamodelowanych przy wykorzystaniu cztero- i osmiowęzłowych elementów do analizy powłok płaskich. Pracę zakończono przykładem zastosowania elementu do analizy rzeczywistej konstrukcji kadłuba okrętowego oraz wnioskami.

7

An approximate method for generation of stress-strain curve for plates subject to compression and shear

Taczała M.

Marine Technology Transactions. Technika Morska

|

2000

|

Vol. 11

245-261

EN

The paper concerns the problem of behaviour of plates with imperfections subject to combined loading - compression and shear. Plates subject to these loadings were analysed using the finite element method. Systematic calculations of influence of various parameters on the ultimate capacity of were performed for plates with aspect ratio typical for thin-walled ship structures. Equations in the form of polynomials were proposed to account for shear deformations on compressive ultimate capacity and normal strain on shear ultimate capacity. Comparison of stress-strain curves obtained using the finite element method and approximate formulations proves agreement satisfactory for practical purposes in the assumed range of investigated parameters.

PL

Artykuł dotyczy zagadnienia zachowania się płyt z imperfekcjami poddanych działaniu złożonego układu obciążeń - ściskania i ścinania. Analizę zachowania się płyt poddanych działaniu takich obciążeń przeprowadzono metodą elementów skończonych. Obliczenia parametryczne wpływu różnych czynników na nośność graniczną płyt przeprowadzono dla płyt o stosunku szerokości do grubości typowym dla cienkościennych konstrukcji okrętowych. W celu uwzględnienia wpływu deformacji postaciowych na nosność graniczną przy ściskaniu oraz odkształceń liniowych przy ścinaniu zaproponowano analityczne zależości w postaci wielomianów. Porównanie przebiegów scieżek równowagi uzyskanych z obliczeń metodą elementów skończonych oraz według wzorów uproszczonych wykazuje zgodność wystarczającą dla celów praktycznych w pewnym zakresie rozpatrywanych parametrów.

8

Analysis of ultimate capacity of ship hulls with transversally stiffened plates

Taczała M., Jastrzębski T.

Archives of Civil Engineering

|

1999

|

Vol. 45, nr 2

357-368

EN

The paper deals with evaluation of ultimate bending moment for ship hull with transversally stiffened plates. Methods of evaluations of ultimate capacity for ship hulls are briefly presented. Specific problem of determination of load-end shortening curves for transversally stiffened plates subject to compressive uniform loading and compressive/tensile linearly distributed loading is investigated at first using approximate and finite element approaches. The results are then applied to evaluation of the ultimate moment in vertical bending. Comparison of results in terms of ultimate bending moments for ship hulls with transversally stiffened regions are then given.

PL

Artykuł dotyczy nośności granicznej kadłubów okrętowych. Pokrótce przedstawiono sposoby rozwiązywania tego zagadnienia. Wykorzystując wzory przybliżone oraz wyniki obliczeń metodą elementów skończonych, określono krzywe obciążenie-przemieszczenie dla płyt usztywnionych poprzecznie poddanych działaniu obciążenia rozłożonego równomiernie i liniowo zmiennie wzdłuż krawędzi. Wyniki wykorzystano do obciążeń momentów granicznych statków z rejonami usztywnionymi poprzecznie. Przedstawiono porównanie wyników wartości nośności granicznej kadłubów.

9

Stiffened plate element based on Kirchoff thin plate theory

Taczała M.

Marine Technology Transactions. Technika Morska

|

1998

|

Vol. 9

199-218

EN

A rectangular stiffened plate membrane-bending element based on Kirchoff plate theory has been developed in the paper. Any number of stiffeners is allowed within the element. Based on energy approach stiffness matrix of the element was derived. The element was employed in the computer code and the results were compared to other examples investigated numerically and experimentally. Good agreements of results was obtained.

PL

W pracy przedstawiono prostokątny płytowo-tarczowy element skończony oparty na teorii płyt cienkich Kirchoffa. W elemencie może występować dowolna liczba usztywnień. W oparciu 0 sformułowania energetyczne wyprowadzono macierz sztywności elementu. Element został zastosowany w programie komputerowym metody elementów skończonych. Wyniki otrzymane przy jego zastosowaniu porównano z wynikami przykładów analizowanych numerycznie i eksperymentalnie. Osiągnięto dobrą zgodność wyników