Composite conical shell structures have been widely used in sophisticated futuristic structural systems such as supersonic aircrafts and spacecrafts. Thermal stresses due to aerodynamic heating induce the structural instabilities such as snap-through phenomenon which suddenly cause a large movement in the direction of the loading. Therefore, the investigation for thermal postbuckling behaviors of conical shell structures is one of the important research areas.
In this study, the thermo-elastic postbuckling characteristics of multi-layered composite conical shells based on a layerwise displacement theory are performed. To consider large defections due to thermo-mechanical loads, von-Karman nonlinear displacement-strain relationships based on the Donnell’s theory of conical shell structure are applied. The nonlinear governing equations are solved using the Newton-Raphson iteration procedure coupled with the arc-length method to trace the postbuckling equilibrium path. The critical buckling temperatures are compared with the ones existing in the previous literature for laminated conical shells with several cone semi-vertex angles. Moreover, the thermo-elastic postbuckling behaviors of the laminated conical shell are investigated to consider the effect of the semi-vertex angle, subtended angle, and slanted length to thickness ratio on the structural stability.
고속으로 비행하는 항공기의 동체와 날개, 로켓 및 발사체 등에서 사용되는 쉘 구조물의 경우 공력가열(aerodynamic heating)이나 태양열 복사에너지에 의한 열하중(thermal loading)을 받으며, 재진입체(re-entry bodies)는 극열하중(hyperthermal loading)을 받는다. 열하중은 구조물의 정적 및 동적 안정성을 결정하는 중요한 외부 하중이다. 열하중에 의한 과도한 구조물의 변형은 항공기 유동 흐름을 방해하고 구조물의 국부적인 열탄성학적(thermoelastic) 불안정을 유도하여 구조물의 성능을 저하시키는 열적좌굴(thermal buckling)을 유발한다. 따라서 열하중을 받는 원뿔형 복합적층 쉘 구조물의 임계 좌굴 온도를 예측하고, 기하학적 형상에 따른 열탄성학적 특성을 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 복합재료 원뿔형 쉘 구조물에 대한 열 좌굴 후 거동 해석을 수행하였다. 층별 변위장 이론을 기초로 하여 원뿔형 쉘 구조물을 모델링 하였으며, 열 대변형을 고려하기 위해 Donnell의 이론이 적용된von-Karman의 비선형 변위-변형률 관계식을 이용하였다. 또한, 스냅핑과 같은 불안정 좌굴 거동을 해석하기 위해, 비선형 정적 운동 방정식에 호길이법을 이용한 뉴튼-랩슨 반복법을 적용하였다. 반 원뿔각이 임계 좌굴 온도에 미치는 영향을 기존의 연구 결과와 비교하였으며, 반 원뿔각, 내재각, 두께, 곡률이 열 좌굴 후 거동 특성에 미치는 영향을 고찰하였다.
