Variational principles in the geometrically non-linear theory of shells undergoing moderate rotations

Summary A general approach to the derivation of variational principles is given for the geometrically non-linear theory of thin elastic shells undergoing moderate rotations. Starting from the principle of virtual displacements, a set of sixteen basic free functionals without subsidiary conditions is constructed. From these free functionals a, number of related functionals with or without subsidiary conditions may be generated. As examples, the functionals of the total potential energy and the total complementary energy are derived.

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Übersicht Die vorliegende Arbeit enthält eine systematische Herleitung von Variationsprinzipen für die geometrisch nichtlineare Theorie dünner elastischer Schalen, in der die Quadrate der Rotationen von gleicher Größenordnung wie die Dehnungen sein können. Ausgehend vom Prinzip der virtuellen Verschiebungen wird eine Familie von sechzehn freien Funktionalen hergeleitet, die keinen Nebenbedingungen unterliegen. Von diesen freien Funktionalen kann eine Vielzahl verwandter Funktionale mit oder ohne Nebenbedingungen abgeleitet werden. Als Beispiele werden die Prinzipe vom stationären Wert des Gesamtpotentials und der komplementären Energie angegeben.

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This work was prepared under an Agreement on Scientific Cooperation between the Institute of Fluid-Flow Machinery of the Polish Academy of Sciences in Gdask and the Institut für Mechanik of the Ruhr-Universität Bochum, FRG     

Nonlinear analysis of doubly curved symmetrically laminated shallow shells with rectangular planform

Summary A multi-mode solution to the dynamic Marguerre-type nonlinear equations is presented for the nonlinear free vibration of doubly curved, symmetrically laminated, imperfect shallow shells of rectangular planform on a Winkler-Pasternak elastic foundation. The shell edges are assumed to be transversely supported and the variation of rotational stiffness is identical along opposite edges. Generalized double Fourier series with time-dependent coefficients and the method of harmonic balance are used in the solution. The boundary condition for the varying rotational stiffness is fulfilled by replacement of bending moments along the four edges by an equivalent lateral pressure. Based on a single-mode approximation numerical results for the amplitude-frequency response of doubly curved isotropic, orthotropic, cross-ply and angle-ply shallow shells with square planform are presented for various boundary conditions, material properties, curvature ratios, initial imperfections, edge tensions, and moduli of the elastic foundation. Graphical results for postbuckling behavior of an imperfect angle-ply cylindrical panel are also presented as a special case.

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Nichtlineares Verhalten zweifach gekrümmter, symmetrisch geschichteter dünner Schalen mit rechteckigem Grundriß

Übersicht Vorgestellt wird eine Mehrfachwellenform-Lösung der dynamischen Gleichungen vom Marguerre-Typ für die nichtlinearen Eigenschwingungen zweifach gekrümmter dünner Schalen aus symmetrischen Schichtungen, die geometrisch imperfekt sind und über einen rechteckigen Grundriß auf einer elastischen Winkler-Pasternak-Bettung lagern. Angenommen wird eine gelenkige Lagerung der Plattenränder mit einer veränderlichen Drehbehinderung, die auf gegenüberliegenden Rändern gleich ist. Zur Lösung werden verallgemeinerte zweifache Fourier-Reihen mit zeitabhängigen Koeffizienten und die Methode der harmonischen Balance benutzt. Die Randbedingung für die veränderliche Drehbehinderung wird dadurch erfüllt, daß die Randmomente durch einen äquivalenten Vertikaldruck ersetzt werden. Mit der Näherung nur einer Wellenform werden numerische Ergebnisse für die Beziehung zwischen Amplitude und Frequenz angegeben; variiert werden dabei die Randbedingungen, die anfänglichen Imperf ektionen, die Krümmungsverhältnisse, die Bettungszahlen und die Materialkonstanten, wobei die Platte entweder isotrop oder bei recht- und schiefwinkliger Schichtung orthotrop ist. Als Sonderfall wird auch das Nachbeulverhalten einer imperfekten, schiefwinklig geschichteten Zylinderschale graphisch dargestellt.

     

Transient displacement and stress in non-homogeneous elastic shells

Summary Transient displacement and stress in thick inhomogeneous cylindrical and spherical shells is investigated for situations when the surfaces are subjected to dynamic loads consistent with the production of radial vibrations. In the first instance, transformation of the governing equations is sought to a form amenable to solution via a finite Hankel transform technique. Such reduction is available for a broad class of radial variations in the material density and elastic parameters. However, the solutions generated by this method are rather involved and two other approaches are indicated. Thus, reduction of the system to the conventional wave equation is obtained under certain restrictions on the nature of the inhomogeneities and a simple correspondence principle is presented for the imposed boundary stress boundary value problem. Finally an asymptotic wave front analysis is presented which has a wide generality of application.

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Zusammenfassung Es werden die zeitlich vorübergehenden Verrückungen und Spannungsänderungen in dicken inhomgenen zylinder-und kugelförmigen Schalen für den Fall untersucht, dass die Oberfläche dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, die strahlenförmige Schwingungen produzieren. Zunächst werden Tranformationen der auftretended Gleichungen gesucht, die eine Lösung mit Hilfe von endlichen Hankeltransformations-Techniken zulassen. Eine solche Reduzierung ist für eine grosse Klasse von abstandsabhängigen Veränderungen der Dichte-und Elastizitätsparameter \:moglich.Die so erhaltenen Lösungen sind jedoch recht kompliziert, und zwei weitere Lösungsmöglichkeiten werden angedeutet. Einmal erhält man unter gewissen Beschränkungen bezüglich der Art der Inhomogenitäten eine Reduzierung des Gleichungssystems auf die gewögnliche Wellengleichung, zum anderen wird ein einfaches Korrespondensprinzip für das betrachtete Randwertproblem aufgestellt. Schliesslich wird eine asymptotische Wellenfrontanalyse entwickelt, die vielseitig verwendbar ist.

     

Untersuchungen zur Dynamik von Magnetschwebefahrzeugen auf elastischen Fahrwegen

Übersicht Es werden Methoden entwickelt, mit deren Hilfe man das dynamische Verhalten von Magnetschwebefahrzeugen auf elastischen Fahrwegen untersuchen kann. Ausgehend von einer Analyse des Fahrzeugs, der Magnetstellglieder und des Fahrwegs wird in systematischer Weise das mathematische Modell des Gesamtsystems aufgebaut. Es ergeben sich lineare Zustandsgleichungen mit periodisch zeitvariablen Koeffizienten und springenden Zustandsgrößen. Sie bilden die Grundlage für die Berechnung der Stabilitätsbedingungen und der stationären Lösung sowie für eine numerische Simulation. Die Leistungsfähigkeit der Methoden wird anhand eines Beispiels demonstriert.

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Summary Methods are developed to investigate the dynamical behaviour of magnetically levitated vehicles on flexible guideways. Starting with the analysis of vehicle, suspension and guideway the mathematical model of the closed-loop system is obtained in a systematic way. The results are linear state equations with periodically time-varying coefficients and jumping states. They underlie the evaluation of stability conditions and steady-state responses as well as numerical simulation procedures. The efficiency of the methods is demonstrated by an example.

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Die Untersuchungen wurden mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung und Technologie gefördert.     

Multi-mode nonlinear vibration and postbuckling of antisymmetrically laminated imperfect angle-ply cylindrical panel with free straight edges

Summary A multi-mode solution to nonlinear vibration and postbuckling of the titled problem is presented for two straight edges free from forces and bending moments and the other edges subjected to identical variation of rotational stiffness and normal boundary forces. The dynamic Marguerre-type nonlinear equations are adopted. The transverse deflection and stress function are expanded into two series with timedependent coefficients. The Galerkin procedure furnishes an infinite system of ordinary differential equations for these time functions. The method of harmonic balance is used for a solution of a finite number of these equations. The postbuckling behavior is treated as a special case. Numerical results in nonlinear vibration and postbuckling of antisymmetrically laminated angle-ply panel are presented graphically for different panel parameters and also compared with available data.

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Nichtlineare Schwingung und Nachbeulen einer antisymmetrisch geschichteten, imperfekten zylindrischen Schale mit freien geraden Rändern

Übersicht Für das im Titel genannte Problem wird bei Normalkraftbelastung und Verdrehsteifigkeit der kreisbogenförmigen Ränder eine Lösung der dynamischen, nichtlinearen Marguerre-Gleichungen in Form verallgemeinerter Fourier-Reihen für die Durchbiegung und Spannungsfunktion mit zeitabhängigen Koeffizienten vorgestellt. Das Galerkin-Verfahren liefert ein System unendlich vieler gewöhnlicher Differentialgleichungen für diese Zeitfunktionen. Zur Lösung einer endlichen Zahl der Gleichungen wird die Methode der harmonischen Balance benutzt. Für verschiedene Schalenparameter werden numerische Resultate zur Schwingung und zum Nachbeulen in graphischer Form dargestellt und mit fremden Ergebnissen verglichen.

     

Biegetheorie der Rotationsschale mit flacher,kreisförmiger Erzeugender

Zusammenfassung Bei der Auflösung der Gleichungssysteme von doppelt gekrümmten Schalen treten im allgemeinen so große mathematische Schwierigkeiten auf, daß eine Berechnung der Schnittkräfte nicht möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, daß bei Einführung einiger Näherungen der Spannungszustand einer Rotationsschale mit flacher, kreisförmiger Erzeugender ermittelt werden kann. Sowohl bei der Aufstellung der Gleichgewichtsbedingungen als auch beim Elastizitätsgesetz werden in allen Gleichungen diejenigen Glieder, die die Schalenstärke enthalten, vernachlässigt, soweit sie neben anderen Gliedern vorkommen. Diese Näherung ist nicht gröber als die schon seit jeher bei Schalenberechnungen eingeführten Vereinfachungen des Elastizitätsgesetzes. Bei flachen Schalen können in den Gleichungen weitere Glieder vernachlässigt werden, und es gelingt, das Problem auf zwei homogene partielle Differentialgleichungen vierter Ordnung mit konstanten Koeffizienten für eine Spannungsfunktion und die Normalenverschiebung w zurückzuführen. Die charakteristische Gleichung wird für eine beliebige anisotrope Schale angegeben. Für die Sonderfälle der isotropen Schale und der in der Rotationsrichtung durch Rippen verstärkten Schale können die Wurzeln der charakteristischen Gleichung als einfache Ausdrücke geschrieben werden. Die Schnittkräfte und Verschiebungen der Schale werden aus einer Spannungsfunktion und der Normalenverschiebung berechnet.     

Eine direkt formulierte lineare Theorie für viskoelastische Platten und Schalen

Übersicht Eine Möglichkeit der Entwicklung einer allgemeinen Theorie für Platten und Schalen besteht in der Modellierung des Flächentragwerks durch ein zweidimensionales deformierbares Kontimmm und der direkten Ableitung der kinematischen Beziehungen, der Bewegungsgleichungen und der konstitutiveu Gleichungen. Eine so erhaltene Theorie ist mathematisch und physikalisch widerspruchsfrei, jedoch ist es für ihre Anwendung notwendig, die sogenannten Ersatzeigenschaften zu ermitteln. Im Beitrag wird eine geometrisch und physikalisch lineare Theorie behandelt. Jeder Punkt des Kontinuums ist ein infinitesimal kleiner Starrkörper mit nur 5 Freiheitsgraden (3 Translationen, 2 Rotationen). Bei Annahme dieser Einschränkungen gelingt es, eine Theorie direkt abzuleiten, wobei alle Ersatzeigenschaften des Flächentragwerks bestimmt werden können. Im Beitrag werden die Möglichkeiten der allgemeinen Theorie am Beispiel isotropen viskoelastischen Materials mit über die Dicke veränderlichen Eigenschaften gezeigt. Die Theorie schließt die Betrachtung mehrschichtiger Flächentragwerke ein.

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A directly formulated linear theory of viscoelastic plates and shells

Summary One kind to develop a general theory for plates and shells is the modelling of the structure as a two-dimensional deformable continuum and the direct approach to the kinematical relations, equations of motion and constitutive equations. Such a theory is physically and mathematically correct. For the application of such directly formulated theories it is nessecery to identify the so-called effective properties. In the paper the theory is formulated for geometrical and physical linearity. Each point of the continuum is an infinitesimal small rigid body with only 5 degrees of freedom (3 translations, 2 rotations). For such a kinematical assumption it is possible to develop a direct theory and to determinate all effective properties of the structure. The paper demonstrates the possibilities of the general theory for an isotropic viscoelastic plate with material properties varying over the thickness. The theory includes also the analysis of multilayered plates and shells.

     

On the linear and nonlinear stability analysis in the theory of thin elastic shells

Summary In the frame of the geometrically nonlinear theory of thin elastic shells with moderate rotations a set of consistent equations for the nonlinear stability analysis is derived by application of energy criteria. Some methods of functional analysis are used which enable to prove the symmetry of the stability equations and to calculate bifurcation buckling from linear and nonlinear equilibrium branches and also snap-through buckling loads by variational approximating procedures.

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Über die lineare und nichtlineare Stabilitätsberechnung in der Theorie dünner elastischer Schalen

Übersicht Im Rahmen einer geometrisch-nichtlinearen Theorie dünner Schalen mit moderaten Rotationen werden konsistente Gleichungen zur nichtlinearen Stabilitätsberechnung hergeleitet, wobei von Energiekriterien ausgegangen wird. Die Benutzung einiger Methoden der Funktionalanalysis ermöglicht den Nachweis der Symmetrie der Stabilitätsgleichungen und die Berechnung des Verzweigungs-Beulproblems bei linearen und nichtlinearen Gleichgewichtszuständen sowie die Bestimmung der kritischen Last beim Durchschlagproblem mit Hilfe variationeller Näherungsverfahren.

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Lecture: XVth Inter. Congr. Theor. Appl. Mech., Toronto/Canada, 17.–23. Aug. 1980

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The author is indepted to Docent Dr. habil. W. Pietraszkiewicz, Institute of Fluid-Flow Machinery Gdask, for valuable remarks and the Polish Academy of Science for continuous support.     

Large elastic deformations in thin rods

Summary In this paper an appropriate analytical treatment for the determination, through exact formulae, of large elastic deformations in thin skew-curved rods is presented. This problem is associated with a system of fifteen nonlinear, ordinary, differential equations of the first order; the unknowns of the system are the final curvature and torsion functions, as well as the generalized internal forces and displacements of the rod. Subsequently, the problem of a thin cantilever circular rod subjected to terminal co-planar forces is examined and closed formulae determining its generalized displacements are obtained. Finally, the effectiveness and the potentialities of the method are demonstrated by several numerical applications.

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Übersicht In diesem Artikel wird eine analytische Methode zur Bestimmung von großen elastischen Verformungen eines schief gekrümmten Stabes durch exakte Formeln entwickelt. Dieses Problem wird durch ein System von fünfzehn nichtlinearen, gewöhnlichen Differentialgleichungen erster Ordnung beschrieben; die Unbekannten des Systems sind sowohl die endlichen Krümmungs- und Torsionsfunktionen als auch die verallgemeinerten inneren Kräfte und Verschiebungen des Stabes. Ferner wird das Problem des dünnen beidseitig gelagerten zylindrischen Stabes, welcher koplanaren Endlasten unterliegt, untersucht, und geschlossene Formeln werden erhalten. Schließlich werden die Effektivität und die Möglichkeiten der Methode durch mehrere numerische Anwendungen dargestellt.

     

Torsional impact of elastic spheres

Summary In this article, the collison of two geometrically and materially similar elastic spheres, which are rotating around the common normal of their contact area, is analysed. The solution of the static problem, when the spheres are pressed together by a constant normal force and are then subjected to a monotonously increasing torsional couple about the contact normal, has been found by Lubkin. Superposition of Lubkin's solutions for varying contact areas yields the general contact law for finite sequences for normal and torsional displacement increments. The torsional rotation at the end of impact is obtained from numerical integration of the angular equation of motion and the contact law. The Nassi-Shneiderman diagrams of the contact algorithm and the impact algorithm are presented. Some results are plotted and compared with an asymptotic theory for complete adhesion and complete sliding in the contact area.

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Torsionsstoß elastischer Kugeln

Übersicht In diesem Artikel wird der Stoß zweier geometrisch und materiell ähnlicher Kugeln untersucht, welche um die gemeinsame Normale ihres Kontaktgebietes rotieren. Die Lösung des statischen Kontaktproblems, bei welchem die Kugeln durch eine konstante Normalkraft zusammengedrückt und anschließend durch ein monoton steigendes Torsionsmoment um die Kontaktnormale belastet werden, wurde von Lubkin gefunden. Die Überlagerung der Lubkin-Funktionen für unterschiedliche Kontaktgebiete ergibt das allgemeine Kontaktgesetz für eine Folge endlicher Normalverschiebungs-und Torsionsinkremente. Die Drehung am Stoßende erhält man durch numerische Integration der Drallgleichung und des Kontaktgesetzes. Die Nassi-Shneiderman-Diagramme des Kontaktalgorithmus und des Stoßprogramms werden abgebildet. Einige Ergebnisse werden vorgestellt und mit einer asymptotischen Theorie für vollständiges Haften und vollständiges Gleiten verglichen.

     

On forced response of polygonal plates

Summary An approximate solution is presented for the linear isothermal response of viscously damped thin homogeneous polygonal plates subjected to uniform dynamic loading. Normal modes of vibration are determined with the aid of a boundary collocation technique and forced solutions are calculated by employing a numerical integration procedure. The solution is applicable to elastically built-in plates having edge conditions ranging from the simply supported to the clamped case. Numerical solutions are given for the normal modes of vibration of some simply supported and clamped plates and theoretical and experimental transverse displacements and stress couples are compared for a plate subjected to blast loading.

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Übersicht Es wird eine Näherungslösung für die Bewegung von homogenen, polygonalen Platten unter gleichförmiger dynamischer Belastung angegeben. Dabei wird Linearität, viskose Dämpfung und isothermes Verhalten vorausgesetzt. Die Eigenschwingungsformen werden mit einer Kollokationsmethode berechnet, während die erzwungenen Schwingungen durch numerische Integration bestimmt werden. Die Lösungen können für elastisch eingespannte Platten verwendet werden, deren Randbedingungen von der einfachen Auflage bis zur festen Einspannung reichen. Für einige aufgelagerte und eingespannte Platten werden numerische Lösungen für die Eigenschwingungsformen angegeben. Für eine Platte mit Stoßbelastung werden theoretische und experimentelle Werte für Verschiebungen und Momente verglichen.

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This work was carried out at the Defence Research Establishment Suffield, Alberta as well as at the University of Alberta, Edmonton, Alberta and permission to publish the results is gratefully acknowledged.     

Numerischer Stabilitätsnachweis dünner Schalen mit dem Konzept der Störenergie

Übersicht Es wird eine nichtlineare Eigenwertanalyse vorgestellt, die es ermöglicht, für stabilitätsgefährdete Tragwerke die Umgebung von bekannten Belastungszuständen nach kritischen Zuständen abzusuchen. Da alle im Rahmen der Theorie und Diskretisierung möglichen Störungen und Imperfektionen berücksichtigt werden, wird derjenige kritische Zustand gefunden, der mit einem Minimum an Störenergie erreicht wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Störungs- oder Imperfektionssensitivität von Schalen mit einer nichtlinearen Eigenwertanalyse zu berechnen. Nach Kalibrierung des hier vorgeschlagenen Konzeptes der bezogenen Störenergie an statistisch ermittelten Versuchs-Grenzlasten können reale elastische Grenzbeullasten für beliebige Tragwerke berechnet werden, ohne daß der Ingenieur einschränkende Imperfektionen vorzugeben hat. Die derzeit erwogene Vorgabe von geometrischen Imperfektionen zur Erfassung der Imperfektionssensitivität von Schalen wird in einer Parameterstudie untersucht. Da die so berechneten Beullasten zum Teil erheblich von den Versuchs-Beullasten abweichen, wird das Vorgeben speziell von geometrischen Imperfektionen kritisch beurteilt.

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Numerical stability analysis of thin shells by a concept of perturbation energy

Summary A nonlinear eigenvalue analysis is presented which enables to investigate the surrounding of given states of equilibrium for critical states of equilibrium. By including all possible perturbation or imperfection patterns, that critical state is derived which is reached with a minimum of perturbation energy. Thus it is possible to analyse the imperfection sensitiveness by applying the nonlinear eigenvalue analysis. After calibration at buckling loads derived by experiments, the proposed concept may be applied for arbitrary structures. It is not necessary that the designing engineer introduces special imperfection patterns. The influence of different types of geometrical imperfections on the computational buckling load is studied. The buckling loads derived by given geometrical imperfections deviate considerably from critical loads found in experiments.

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Herrn Prof. Dr.-Ing. Walter Wunderlich zum 60. Geburtstag am 25. 7. 1991 gewidmet     

A closed form solution for the response of a long elastic beam to dynamic loading

Summary Closed form solutions have been obtained using Fourier transform method for the deflection, curvature and particle velocity of a long elastic beam when it is subjected to a concentrated transverse force which is varying with time. These solutions have been illustrated with the help of two force histories, i.e. a half-sine pulse and a rectangular pulse. Dimensionless parameters representing deflection, curvature and particle velocity have been plotted as functions of dimensionless distance and dimensionless time. Furthermore, the particular case of constant velocity impact which has been studied by other authors using different techniques has also been considered in the present paper and the results compare within numerical errors involved in the evaluation of integrals.

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Geschlossene Lösungen für die Antwort langer elastischer Balken auf dynamische Lasten

Übersicht Mit Hilfe von Fourier-Transformationen werden geschlossene Lösungen für die Durchbiegung, die Krümmung und die Geschwindigkeit der Punkte auf der Achse langer Balken, die durch eine zeitabhängige vertikale Einzelkraft belastet werden, erhalten. Die Lösungen werden anhand eines halben Sinusstoßes und eines Rechteckstoßes illustriert. Die Durchbiegung, Krümmung und Geschwindigkeit werden in dimensionsloser Form als Funktionen der dimensionslosen Längskoordinate und Zeit dargestellt. Darüber hinaus wird der Sonderfall konstanter Stoßgeschwindigkeit, der von anderen Autoren mit anderen Methoden untersucht wurde, betrachtet: Abgesehen von Abweichungen durch die numerische Lösung auftretender Integrale stimmen die Ergebnisse überein.

     

Effect of foundation nonlinearity on the nonlinear transient response of orthotropic shallow spherical shells

Summary Interaction of clamped orthotropic shallow spherical shells with nonlinear elastic foundations is studied under transient loads. The effect of softening and hardening foundation nonlinearities on the response behaviour of shallow shells has been investigated. Detailed analysis depicting the influence of hardening type foundation nonlinearity on the maximum response of orthotropic shallow spherical shells has been conducted. The numerical results suggest that for the shell-foundation interaction problems undergoing moderately large deformations, the nonlinear model for the foundation must be considered.

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Einfluß der Bettungsnichtlinearität auf die nichtlineare transiente Antwort von orthotropen, leicht gekrümmten Schalen

übersicht Es wird die Wechselwirkung eingespannter orthotroper, leicht gekrümmter Schalen mit nichtnichtlinearer elastischer Bettung unter transienter Belastung behandelt. Dabei wird der Einfluß der erweichenden und der verfestigenden Nichtlinearität der Bettung auf das Antwortverhalten der schwach gekrümmten Schalen untersucht. Speziell wird der Einfluß der verfestigenden Bettungsnichtlinearität auf extreme Antwortverhalten von orthotropen, schwach sphärischen Schalen im einzelnen analysiert. Die numerischen Ergebnisse machen deutlich, daß bei Wechselwirkungsproblemen von Schale und Bettung mit mäßig großen Deformationen das nichtlineare Modell der Einbettung betrachtet werden muß.

     

Stability of stochastic Leipholz column with stochastic loading

Summary The Leipholz column which is having the Young modulus and mass per unit length as stochastic processes and also the distributed tangential follower load behaving stochastically is considered. The non self-adjoint differential equation and boundary conditions are considered to have random field coefficients. The standard perturbation method is employed. The non self-adjoint operators are used within the regularity domain. Full covariance structure of the free vibration eigenvalues and critical loads is derived in terms of second order properties of input random fields characterizing the system parameter fluctuations. The mean value of critical load is calculated using the averaged problem and the corresponding eigenvalue statistics are sought. Through the frequency equation a transformation is done to yield load parameter statistics. A numerical study incorporating commonly observed correlation models is reported which illustrates the full potentials of the derived expressions.

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Stabilität eines Leipholz-Stabes mit stochastischen Eigenschaften und Belastungen

Übersicht Behandelt wird der Leipholz-Stab, dessen Elastizitätsmodul, Masseverteilung und tangential folgende Streckenlast stochastisch sind. Die nicht selbstadjungierte Differentialgleichung und die Randbedingungen werden als solche mit Zufallskoeffizienten betrachtet und die übliche Störungsmethode benutzt. Im Regularitätsbereich werden die nicht selbstadjungierten Operatoren benutzt. Hergeleitet wird die vollständige Kovarianz-Struktur der Eigenwerte der freien Schwingung und kritischen Lasten als Funktionen der Eigenschaften zweiter Ordnung der zufälligen Eingangsgrößen, die die Schwankungen der Systemparameter charakterisieren. Der Mittelwert der kritischen Last wird aus dem gemittelten Problem berechnet und die zugehörige Eigenwert-Statistik wird gesucht. Über die Frequenzgleichung wird eine Transformation vorgenommen, um die Statistik des Lastparameters zu erhalten. Eine numerische Studie illustriert die Leistungsfähigkeit der hergeleiteten Ausdrücke.

     

Numerical solutions of some unsteady laminar flows of viscoelastic fluids in concentric annuli with axially moving boundaries

Summary The numerical solution of the steady and nonsteady laminar, isothermal flow of the 6-constant Oldroyd fluid in concentric annuli with axially moving boundaries, is given. The steady flow problem involves the solution of a non-linear ordinary differential equation. In the non-steady flow problem, a modified finite difference method, given byTownsend, is used. It is shown that the steady flow solution obtained directly and the solution obtained from the start-up flow problem agree with each other, thus showing the validity of the finite difference method. In various flow situations, start-up flow, flow decay, decay of a disturbance in the pressure, the effect of superimposed oscillations in the pressure gradient and in the axial velocity of the boundaries on the mean state of flow, are illustrated.

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Zusammenfassung Es werden numerische Lösungen der stationären und instationären laminaren, isothermen Strömung einer Oldroyd-Flüssigkeit mit sechs Konstanten in konzentrischen Ringspalten mit axial bewegten Wänden angegeben. Das stationäre Strömungsproblem erfordert die Lösung einer nichtlinearen gewöhnlichen Differentialgleichung. Beim instationären Problem wird in Anlehnung anTownsend eine modifizierte Finite-Differenzen-Methode angewandt. Es wird gezeigt, daß die direkt erhaltenen Lösungen des stationären Problems mit den numerisch erhaltenen Lösungen des instationären Problems übereinstimmen, wodurch die Anwendbarkeit dieser Methode nachgewiesen ist. Für verschiedene Strömungssituationen wie Anlauf- und Abklingströmung, Abklingen nach einer Druckströmung sowie der Einwirkung von überlagerten Schwingungen im Druckgradienten und in der Axialbewegung der Wände auf den mittleren Strömungszustand werden die resultierenden Ergebnisse veranschaulicht.

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With 15 figures     

Axisymmetric problem for a half-space in the micropolar theory of elasticity

The general solution of the equilibrium equations is obtained for a half-space subjected to arbitrary normal pressure. Four particular cases, including a concentrated force, are considered in detail. The singular parts of the displacements, rotations and stresses are obtained for the case of a concentrated force. The corresponding classical results have been derived. The graphs for various physical and geometrical quantities have been drawn to illustrate the micropolar effects.

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Zusammenfassung Die ellgemeine Lösung für Gleichgewicht eines Halbraums unter beliebigem Normaldruck wird gefunden. Vier Spezialfälle darunter eine konzentrieste Kraft werden genauer untersucht. Für diesen Fall werden die Verschiebungen, Drehungen und Spannungen gefunden. Die entsprechenden klassischen Lösungen wurden erhalten. Zur Illustration der Mikropolareffekte wurden Diagramme der verschiedenen physikalischen und geometrischen Grössen gezeichnet.

     

The Biot stresses in nonlinear elasticity and the associated generalized variational principles

Summary It is shown that the concept based on the polar decomposition and Reissner's concept based on a distinguished system of rotated axes lead to the same results. Especially it is pointed out how, due to the properties of the statical and kinematical operators respectively, the most general principles of virtual work and the associated generalized variational principles can be constructed systematically, allowing independent variations of the displacements, rotations, strains, stresses and reactive forces.

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Die Biot-Spannungen in der nichtlinearen Elastizitätstheorie und die zugehörigen verallgemeinerten Variationsprinzipien

Übersicht Es wird nachgewiesen, daß das auf der Polarzerlegung basierende Konzept und Reissner's Konzept, welches auf einem ausgezeichneten System gedrehter Achsen beruht, zu den gleichen Ergebnissen führen. Insbesondere wird gezeigt, wie auf Grund der Eigenschaften des statischen und kinematischen Operators die allgemeinsten Prinzipien der virtuellen Arbeiten sowie die zugehörigen verallgemeinerten Variationsprinzipien systematisch konstruiert werden können, wobei unabhängige Variationen der Verschiebungen, Drehungen, Verzerrungen, Spannungen und Reaktionskräfte möglich sind.

     

Method of initial functions for thick transversely isotropic shells

Summary In the present work for circular cylindrical shells, three-dimensional elasticity equations are solved by assuming Taylor series expansions, in the radial direction, for the stresses and displacements. Depending upon the number of terms retained in the expansion, different order shell theories are derived. Classical theories (referred to as eighth-order), the shear deformation-transverse normal stress theories (referred to as tenth-order), and higher order theories (referred to as twelfth-order) are derived. In each case, by carrying out the symbolic algebra using the digital computer, partial differential equations are derived. The procedure was carried out in detail for the case of a circular cylindrical shell with no loading on the interior surface and a given pressure distribution on the exterior surface. Then, numerical comparisons are made between the current theories and various shell theories, as well as the exact (three-dimensional) theory. Thus, using this method with its associated computer programs, one can realize a spectrum of approximate shell theories ranging from the classical thin shell, through all current thick shell theories, and approaching the three-dimensional elastic theories.

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Die Methode der Anfangsfunktionen für dicke transversal-isotrope Schalen

Übersicht Mit Hilfe von radialen Taylor-Reihenentwicklungen für die Spannungen und Verschiebungen werden für kreiszylindrische Schalen die Gleichungen der dreidimensionalen Elastizität gelöst. Je nach Anzahl der mitgenommenen Terme der Entwicklung werden Schalentheorien verschiedener Ordnung hergeleitet, und zwar klassische Theorien 8. Ordnung, Theorien 10. Ordnung für schubweiche Schalen mit Berücksichtigung der transversalen Normalspannung sowie Theorien 12. Ordnung. Für jeden Fall werden mit Hilfe eines Rechnerprogramms für symbolische Algebra partielle Differentialgleichungen bestimmt. Vollständig wird das Verfahren für kreiszylindrische Schalen, die auf der Innenseite unbelastet und außen durch eine vorgegebene Druckverteilung belastet sind, durchgeführt. Danach werden numerische Vergleiche zwischen den verschiedenen Schalentheorien sowie mit der exakten dreidimensionalen Theorie vorgenommen. Somit kann man mit der benutzten Methode und den zugehörigen Rechenprogrammen einen Überblick über die Approximation der dreidimensionalen Elastizität durch die verschiedenen Schalentheorien gewinnen.

     

Zum Einfluß der Verschiebungsabhängigkeit ungleichförmigen hydrostatischen Druckes auf das Ausbeulen dünner Schalen allgemeiner Form

Übersicht Wird die Verschiebungsabhängigkeit des hydrostatischen Drucks nicht berücksichtigt, wird also der Einfachheit halber mit richtungstreuer Belastung gerechnet, so überschätzt man gegebenenfalls den Beuldruck von Schalen beträchtlich. Berücksichtigt man andererseits das Mitwandern der Belastung mit der Verformung, so tritt im Rahmen der Methode der Finiten Elemente die Frage nach der Symmetrisierbarkeit der an sich asymmetrischen Belastungsmatrix auf. In der vorliegenden Arbeit wird diese praktisch bedeutsame Frage positiv beantwortet. An die theoretischen Entwicklungen schließt sich eine ausführliche numerische Untersuchung an, in deren Rahmen Beuldrücke von Bögen und Schalen zufolge hydrostatischer und richtungstreuer Druckbelastung miteinander verglichen werden. Dabei zeigt sich, daß das Ausmaß der Abnahme des Beuldrucks bei Berücksichtigung der Verschiebungsabhängigkeit des hydrostatischen Drucks stark problemabhängig ist.

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Summary If the dependence of hydrostatic pressure on the displacements is disregarded, buckling pressures of shells may be overestimated significantly. If, on the other hand, the true character of the load as a follower-load is considered, then, within the framework of the Finite Element Method, the question of symmetricability of the unsymmetric pressure stiffness matrix arises. In the present work, this question which is of practical importance is answered affirmatively. Following presentation of theoretical developments, a detailed numerical investigation is performed which consists of a comparison of buckling pressures for arches and shells under hydrostatic pressure and corresponding displacement-independent load. It is seen that the degree of decrease in buckling pressure in case of consideration of the dependence of hydrostatic pressure on the displacements is strongly problem-dependent.

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Diese Arbeit wurde mit Unterstützung des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung durchgeführt. Der zweite Autor ist darüber hinaus dem Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung der Republik Österreich und dem Verband der Freunde der Technischen Universität Wien für die Finanzierung eines Studienaufenthaltes an der Universität von Tokio, in dessen Rahmen er mit der Thematik des vorliegenden Aufsatzes konfrontiert wurde, zu Dank verpflichtet. Die Autoren sind Herrn cand. ing. H. Walter für seine Mithilfe bei der numerischen Untersuchung zu aufrichtigem Dank verpflichtet