A computationally efficient procedure, NLPANOPT, is developed for the preliminary design of minimum-weight thin-walled stiffened composite panels loaded in uniaxial compression based on a geometrically nonlinear analysis. An approximate, semi-analytical nonlinear analysis code, NLPAN, which requires buckling eigenfunction information from the buckling analysis code, VIPASA, is linked with the optimization code ADS. A blade-stiffened and T-stiffened panel are designed for specified loads using NLPANOPT for postbuckling response and PASCO for buckling-critical response. Comparisons of panel weight and imperfection sensitivity between the NLPANOPT designs and PASCO designs are presented. In general, the designs obtained with NLPANOPT are lighter and less imperfection sensitive than the designs obtained with PASCO. The nonlinear analysis allows for a more accurate prediction of the true strength of the stiffened structure, by accounting for postbuckling strength and modal interaction. The effect of laminate stacking sequence is also investigated. The current design procedure requires the stacking sequence to be prescribed, proving to be a limitation in the design procedure. / Master of Science

Hui and Chen (1986) were the first to show that the well-known Koiter’s General Theory of Elastic Stability of 1945 can be significantly improved by evaluating the postbuckling b coefficient at the actual applied load, rather than at the classical buckling load. Such improvement method was demonstrated to be (1) very simple to apply with no tedious algebra, (2) significant reduction in imperfection sensitivity and (3) although it is still asymptotically valid, there exists a significant extension of the range of validity involving larger imperfection amplitudes. Strictly speaking, Koiter’s theory of 1945 is valid only for vanishingly small imperfection amplitudes. Hence such improved method is termed Hui’s Postbuckling method. This study deals with the postbuckling and imperfection sensitivity of different kinds of cylinders, using the Hui’s postbuckling method. For unstiffened cylinder and laminate cylinder the results are compared with ABAQUS simulation results, and a parameter variation of stringer/ring stiffened cylinder is also evaluated. A significant positive shift of the postbuckling b coefficient is found which indicates that Koiter's general stability theory of 1945 has significantly overestimated the imperfection sensitivity of the structure. Also, compared with the Koiter's general stability theory, the valid region is significantly increased by using Hui's postbuckling method.

[pt] O objetivo desta tese é estudar os mecanismos de escape em sistemas estruturais sensíveis a imperfeições quando submetidos a certas classes de carregamentos dinâmicos, identificar os parâmetros que controlam o escape e criar critérios capazes de prever a fronteira de escape e a perda de estabilidade da estrutura no espaço dos parâmetros de controle. Isto permitirá um melhor entendimento dos processos de perda de estabilidade e servirá de base para o cálculo e controle da integridade dessas estruturas. Após a descrição dos fenômenos que podem ocorrer na dinâmica dessa classe de estruturas, são testados e adaptados alguns critérios existentes na literatura, que verificam a estabilidade de uma estrutura a partir do conhecimento dos parâmetros de controle. Em seguida estuda-se a evolução da estabilidade global do conjunto das soluções medida pela área da bacia de atração, e pelas características de sua fronteira. Desenvolvem-se expressões gerais para o critério de Melnikov, e mostra-se, a partir de perturbações aleatórias nos parâmetros de controle e na força externa, que essas expressões podem ser tomadas como um limite inferior para o carregamento de escape e conseqüentemente como uma contribuição para o desenvolvimento de critérios de projeto. Verifica-se também que os valores obtidos pelos critérios de escape podem ser tomados como limites superiores para o valor da força de escape. / [en] The purpose of this thesis is to study the escape mechanisms in imperfection sensitive structural systems under certain dynamical loading conditions. Other objectives are to identify the parameters that control the escape phenomenon and to create some criteria capable of predicting the escape boundary and the structures stability in the control parameters space. This will allow a better understanding of the stability loss process and can serve as a basis to the integrity control and design of these structures. After a description of the phenomena that can occur in the dynamics of this class of structures, some predictive criteria, found in literature, that verify the structure stability based on the control parameters knowledge, are adapted and tested. Following is a study of the evolution of the global stability of the set of solutions measured by the basin of attraction area, and by the characteristics of its boundary. Some general expressions for the Melnikov criterion are developed, and it is shown by randomly perturbing the control parameters and the external force, that these expressions can be taken as a lower bound for the escape load, and consequently as a contribution to the development of design criteria. It is also observed that the values obtained by the escape criteria can be taken as an upper bound for the values of the escape force. / [es] EL objetivo de esta tesis es estudiar los mecanismos de escape en sistemas extructurales que son sensibles a imperfecciones cuando son sometidos a ciertas clases de cargas dinámicas. Outro objetivo es identificar los parámetros que controlan el escape y crear criterios capaces de preveer la frontera de escape y la pérdida de estabilidad de la extructura en el espacio de los parámetros de control. Esto permitirá una mejor comprensión de los procesos de pérdida de estabilidad y servirá de base para el cálculo y control de la integridad de esas extructuras. Después de describir los fenómenos que pueden ocurrir en la dinámica de esta clase de extructuras, se prueban y adaptan algunos criterios existentes en la literatura, que verifican la estabilidad de una extructura a partir del conocimiento de los parámetros de control. Seguidamente, se estudia la evolución de la estabilidad global del conjunto de las soluciones, se dearrollan expresiones generales para el criterio de Melnikov, y se muestra, a partir de perturbaciones aleatorias en los parámetros de control y en la fuerza externa, que esas expresiones pueden ser tomadas como límite inferior para la carga de escape y conseqüentemente como una contribución para el desarrollo de criterios de proyecto. Se verifica también que los valores obtenidos por los criterios de escape pueden ser tomados como límites superiores para el valor de la fuerza de escape.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo do comportamento não- linear e instabilidade de cascas e painéis cilíndricos laminados de materiais compósitos. Com esta finalidade é desenvolvida uma formulação de alta ordem de deformação cisalhante que leva en conta estes efeitos nas relações deformação-deslocamento. O comportamento da casca é descrito por uma consistente teoria não-linear para cascas laminadas que considera pequenas deformações e rotações moderadas e incorpora automaticamente o efeito das deformações cisalhantes. O modelo de bifurcação clássico é utilizado para estudar a estabilidade da casca compósita. O comportamento pós-crítico é examinado a partir de uma solução modal obtida com técnicas de perturbação. Em ambos os casos aplica-se o método de Rayleigh-Ritz para discretizar o sistema de equações diferenciais de equilíbrio em um sistema de equações algébricas. O método de Newton-Raphson é empregado na resolução das equações não- lineares de equilíbrio do caminho pós-crítico e na obtenção do caminho fundamental da estrutura imperfeita. A implementação numérica (em álgebra simbólica) é feita utilizando a linguagem de programação Maple V release 3. É então desenvolvido um estudo paramétrico com o objetivo de determinar a influência dos parâmetros geométricos e das características próprias do laminado (número de lâminas e orientação das fibras) na resposta crítica e pós-crítica da casca compósita para dois tipos de carregamento, a saber: pressão lateral e compressão axial. É analisado, também, o grau de sensibilidade às imperfeições geométricas destas estruturas. São apresentadas comparações dos resultados teóricos aqui obtidos com outros existentes na literatura com o objetivo de demonstrar a confiabilidade da formulação e metodologia numérica aqui desenvolvidas. / [en] The purpose of the present work is to study the non-linear behaviour and instability of laminated composite cylindrical shells and panels under axial and pressure loading. The analysis is performed within a refined non- linear theory for composite laminated shells incorporating the effects of transverse shear and the geometric imperfections. The classical bifurcation theory is used to analyze the critical behavior of the shell. To examine the post-critical behavior of the shell, a modal solution based on the basic ideas of Koiter`s theory is deduced and the Rayleigh-Ritz method together with the Newton-Raphson strategy are used to solve the non-linear equilibrium problem and plot either the post-critical path or the non- linear equilibrium path of the imperfect shell. The analytical and numerical procedures were performed by the use of the symbolic algebra package Maple V release 3. The influence played by the geometrical parametrs of the shell and physical parameters of the composite laminate, such as stacking sequences and fiber orientation in each lamina, on the critical and post-critical behavior of the shell is examined and a series of conclusions are outlined. The imperfection sensitivity of these shells is also analyzed. Comparisons of the present results with those obtained by other theories and experiments are found to be satisfactory and show the validity of the present methodology. / [es] Este trabajo presenta un estudio de la inestabilidad y comportamiento no lineal y la inestabilidad de cortezas y paneles cilíndricos laminados de materiales compuestos. Con esta finalidad se desarrolla una formulación de alta orden de deformación cisallante que considera estos hechos en las relaciones deformación desplazamiento. EL comportamiento de la corteza se describe a través de una consistente teoría no lineal para cascas laminadas. Esta teoría considera pequeñas deformaciones y rotaciones moderadas e incorpora automáticamente las deformaciones cisallantes. El modelo de bifurcación clásico se utiliza para estudiar la estabilidad de la corteza. El comportamiento poscrítico se examina a partir de una solución modal obtenida con técnicas de perturbación. En ambos casos se aplica el método de Rayleigh Ritz para discretizar el sistema de ecuaciones diferenciales de equilibrio en un sistema de ecuaciones algébraicas. El método de Newton Raphson es utilizado en la resolución de las ecuaciones no lineares de equilibrio del camino postcrítico y en la obtención del camino fundamental de la extructura imperfecta. La implementación numérica (en álgebra simbólica) se realiza utilizando el lenguaje de programación Maple V release 3. Con el objetivo de determinar la influencia de los parámetros geométricos y de las características proprias del laminado en la respuesta crítica y postcrítica de la casca compósita, se realiza un estudio paramétrico para para dos tipos de carga: presión lateral y compresión axial. Se analiza también, el grado de sensibilidad a las imperfeiciones geométricas de estas extructuras. Finalmente, y con el objetivo de demostrar la confiabilidad de la formulación y la metodología numérica aqui desarrolladas, se comparan los resultados teóricos obtenidos con los reportados en la literatura.

[pt] Sabe-se que os anéis e tubulações elásticas de paredes finas estão sujeitos a instabilidades quando sob tensões compressivas. Um exemplo particularmente interessante é a flambagem de um anel elástico sob uma pressão hidrostática. A carga de flambagem é fortemente influenciada pela natureza seguidora da força devida à pressão hidrostática e, se esse efeito for desprezado, a previsão da carga de flambagem crítica pode ser de até 50 por cento para anéis esbeltos. Este trabalho estuda, usando uma formulação variacional não linear, as características de flambagem e vibração de anéis e tubulações apoiados em uma fundação elástica de Pasternak, sendo a fundação de Winkler considerada como um caso particular. Primeiro, a equação de movimento do anel pré-carregado é derivada e a solução analítica dos problemas de autovalor é obtida. A análise paramétrica mostra a influência dos parâmetros geométricos e físicos do anel e da fundação na carga crítica, frequências naturais e relação não linear carga-frequência, considerando o efeito da força seguidora da pressão hidrostática. Adicionalmente, o efeito da fundação nas deformações pré-críticas é estudado. Finalmente, o efeito de uma imperfeição geométrica inicial é avaliado usando o método de Galerkin. Os resultados mostram que os parâmetros da fundação de Pasternak têm um efeito considerável na carga e modo crítico, na frequência fundamental do anel. / [en] It is known that thin-walled elastic rings and pipes are subject to instability when under a state of compressive stresses. A particularly interesting example is the buckling of an elastic ring under hydrostatic pressure. The buckling load is strongly influenced by the following nature of the force due to the hydrostatic pressure and, if this effect is neglected, the forecast of the critical buckling load can be up to 50 per cent for slender rings. This work studies, using a non-linear variational formulation, the buckling and vibration characteristics of rings and pipes supported by a Pasternak elastic foundation, the Winkler foundation being considered as a particular case. First, the equation of motion of the preloaded ring is derived and the analytical solution of the eigenvalue problems is obtained. Parametric analysis shows the influence of the geometric and physical parameters of the ring and the foundation on the critical load, natural frequencies and nonlinear load-frequency relationship, considering the force following effect of the hydrostatic pressure. Additionally, the effect of the foundation on pre-critical deformations is studied. Finally, the effect of an initial geometric imperfection is assessed using the Galerkin method. The results show that the parameters of the Pasternak foundation have a considerable effect on the critical load and mode as well as on the natural frequencies of the ring.