Stability of the shell of the minimum surface on a rectangular plan, taking into account geometric nonlinearity under thermal and power loading

Authors

Keywords:

shell stability, multicriteria parametric optimization, minimum surface shell, calculation of shell stability, geometric nonlinearity, nonlinearity, thermal loads, power loads, static loads, thermal and power loads

Abstract

When developing the classical theory of minimal surface shells, scientists focused on methods that require maximum simplification of the solving equations and elimination of values that do not significantly affect the final results. This reduces the class of minimal surface shells that are studied and excludes some important mechanical and physical effects from view.

With the development of computational complexes, new problems of the theory of shells arise, which must be solved without the involvement of auxiliary hypotheses about the nature of the desired fields along the thickness of the shells of minimal surfaces. This leads to the development of non-classical shell theories, which are classified on the basis of the connection of different methods of constructing systems of equilibrium equations of shell mechanics with methods of boundary value problems of elasticity theory.

When designing minimum surface shells, one has to deal with calculations for the stability of minimum surface shells on different contours, taking into account geometric nonlinearity. Having a small structural mass, a thin-walled spatial shell is an exceptionally rigid structural form.

Geometrically nonlinear problems are those in the theory of elasticity that take into account nonlinearity in the dependence of strains and displacements, while stresses and strains are related linearly. Taking into account nonlinear components of deformations is necessary for the calculation of flexible thin-walled structures.

In general, solving a nonlinear system is reduced to solving a sequence of linear systems. Note that only the right-hand side of the system of equations changes during successive iterations, which allows the stiffness matrix to be factorized only once.

For the first time, a numerical study of a minimum surface shell on a rectangular plan with geometric nonlinearity was performed using the finite element method (FEM), the reliability of the results was verified against theoretical values, the convergence of the finite elements was high, and the dimensions of the finite elements were chosen to be optimal in number and size. The geometric nonlinearity shows a 9% improvement in the actual stresses and displacements from the linear calculation, which is a good material saving and calculation accuracy.  

References

Герасимов, Е.Н., Почтман Ю.М., Скалозуб В.В. Многокритериальная оптимизация конструкций. Донецк: Вища шк. Главное Изд-во Киев, 1985. 134 с.

Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985. 509 с.

Ігнатишин М.І. Механіко-математичне моделювання елементів мостових конструкцій (опора, балка, плита): монографія. Мукачево: РВВ МДУ, 2017. 172 с.

Іванченко Г.М., Кошевий О.О., Кошевий О.П. Чисельна реалізація багатокритеріальної параметричної оптимізації оболонки мінімальної поверхні на квадратному контурі при термосиловому навантаженні. Опір матеріалів і теорія споруд. 2022. Вип. 109. С. 50-65. DOI: 10.32347/2410-2547.2022.109.50-65

Іванченко Г.М., Кошевий О.О., Кошевий О.П., Григор’єва Л.О. Чисельне дослідження параметричної оптимізації вимушених частот коливання оболонки мінімальної поверхні на трапецевидному контурі при термосиловому навантаженні. Опір матеріалів і теорія споруд. 2023. Вип. 110. С. 430-446. DOI: 10.32347/2410-2547.2023.110.430-446

Іванченко Г.М., Кошевий О.О., Жупаненко І.В. Оптимальне проектування вимушених частот коливання оболонки мінімальної поверхні на круглому контурі, яка складається із двох похилих еліпсів при термосиловому навантаженні. Шляхи підвищення ефективності будівництва в умовах формування ринкових відносин. 2023. № 51. С. 218-233. DOI: 10.32347/2707-501x.2023.51(1).218-233

Юрченко В.В., Пелешко І.Д. Пошук компромісного розв’язку в задачах оптимізації розмірів поперечних перерізів елементів конструкцій з холодногнутих профілів. Опір матеріалів і теорія споруд. 2022. Вип. 109. С. 72-92. DOI: 10.32347/2410-2547.2022.109.72-9

Іванченко Г.М., Кошевий О.О. Чисельне дослідження стійкості оболонки мінімальної поверхні на круглому плані з урахуванням геометричної нелінійності при термосиловому навантаженні. Шляхи підвищення ефективності будівництва. 2024. № 53. С. 39-48. DOI: https://doi.org/10.32347/2707-501x.2024.53(1).39-48

Кошевий О.О. Чисельне дослідження стійкості оболонки мінімальної поверхні на квадратному контурі при термосиловому навантаженні з урахуванням геометричної нелінійності. Прикладна геометрія і інженерна графіка. 2024. № 106. С. 133-147. DOI: 10.32347/0131-579X.2024.106.133-147

Кошевий О.О., Іванченко Г.М., Затилюк Г.А. Багатокритеріальна параметрична оптимізація переміщення і ваги оболонки мінімальної поверхні на круглому контурі, що складається із двох похилих еліпсів при термосиловому навантаженні з урахуванням геометричної нелінійності. Опір матеріалів і теорія споруд. 2024. Вип. 112. С. 209-221.

Юрченко В.В., Пелешко І.Д. Параметрична оптимізація сталевої решітчастої рами з несучими елементами із круглих труб. Опір матеріалів і теорія споруд. 2021. Вип. 107. С. 45-74. DOI: 10.32347/2410-2547.2021.107.45-74

Perelmuter A.V., Yurchenko V.V., Peleshko I.D. Optimization of cross-sectional dimensions for coldformed steel lipped channel columns. Опір матеріалів і теорія споруд. 2022. Вип. 108. С. 156-170. DOI: 10.32347/2410-2547.2022.108.156-170

Yurchenko V.V., Peleshko I.D. Parametric optimization of steel structures based on gradient projection method. Опір матеріалів і теорія споруд. 2020. Вип. 105. С. 192-220. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.105.192-220

Кривошапко С.В., Иванов В.Н., Халаби С.М. Аналитические поверхности: материалы по геометрии 500 поверхностей и информация к расчету на прочность тонких оболочек. М.: Наука, 2006. 544 с.

Published

2025-01-05

How to Cite

KOSHEVIY О. . (2025). Stability of the shell of the minimum surface on a rectangular plan, taking into account geometric nonlinearity under thermal and power loading. Ways to Improve Construction Efficiency, 1(54), 34–43. Retrieved from http://ways.knuba.edu.ua/article/view/320252