Buckling of the isogrid stiffened cylinders under compressive loading

Abstract

Bu çalışmada; R/t, çevredeki güçlendirici izo-kafes üçgen sayısı ve imalata toleransları gibi parametrelerin değişimi ile izo-kafes güçlendirilmiş silindir yapılarının burkulma kapasiteleri incelenmiştir.İlk olarak, NASA Isogrid Design Handbook (NASA CR 124075) ve NASA/SP-8007 (Buckling of Thin-Walled Circular Cylinders) dokumanlarına dayanarak el hesapları yapılmıştır. İkinci olarak, ANSYS Workbench 2020 R1 programı kullanılarak, yapının ana-kabuk kısmının kabuki elaman olarak, güçlendirici kafes yapısının ise kiriş eleman olarak modellendiği bir kabuk-kiriş SEA(sonlu elemanlar analiz) modeli oluşturulmuştur. Bu SEA modeli ile lineer özdeğer burkulma ve lineer olmayan burkulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Lineer olmayan analizde, malzeme ve geometrik lineer olmama durumları ile imalat kaynaklı geometri hataları da hesaba katılmıştır. Farklı R/t oranları ve çevredeki güçlendirici izo-kafes üçgen sayılarına göre yapılan el hesaplamaları ve SEA sonuçları karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Aynı çapa ve ağırlığa sahip, izo-kafes güçlendirilmiş silindir ile güçlendirilmemiş tek kabuk silindirin burkulma kapasitesi belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır. Teorik burkulma kuvvetini, gerçek burkulma kuvvetine dönüştürmek için kullanılan düşürme katsayısı (DK) değerleri, el hesapları ve SEA için karşılaştırılıp, yorumlanmıştır. Ek olarak, imalat toleransları kaynaklı geometrik kusurların DK üzerine olan etkisi incelenmiştir.

In this work, buckling capacity of isogrid-stiffened cylinders is examined with changing parameters as R/t, isogrid triangle number on the circumference and manufacturing tolerances. Firstly, hand calculations are performed based on NASA Isogrid Design Handbook (NASA CR 124075) and NASA/SP-8007 (Buckling of Thin-Walled Circular Cylinders). Secondly, a shell-beam FEA model is created using ANSYS Workbench 2020 R1 where the skin and stiffeners are represented as shell and beams respectively. This FEA model is employed to perform linear Eigenvalue buckling analysis and nonlinear buckling analysis. Nonlinear analysis is run as large deflection activated for with geometrical nonlinearity, nonlinear material properties activated and with an initial geometrical imperfection applied to the FEA model. Results of hand calculation and FEA are compared and interpreted considering different R/t ratios and circumferentially isogrid triangle number. Buckling capacity is determined and compared for isogrid-stiffened cylinder and unstiffened cylinder which have same diameter and weight. Knock down factors (KDF's) which scale down the theoretical buckling load to actual critical critical buckling are compared and interpreted for hand calculation and FEA methodologies. Additionally, the effect of the geometrical imperfections caused by manufacturing tolerances is showed on the KDF level.