SlideShare a Scribd company logo
1 of 14
Download to read offline
 
  
  
Nonlinear Post­Buckling Analysis of a 12,000 Gallon Transport Tank 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
Ronald Boutilier 
CEE 506: Nonlinear Analysis of Structural Systems 
University of Washington 
June 9, 2016 
 
          
 
   
 
 
 
 
 
TABLE OF CONTENTS 
 
     1  Objectives of the Study…………….………………………...………………………………3 
     2  Development of the Analytical Model………………………………………...……………….3 
2.1  Vessel Geometry………………………………………………………....…………….3 
2.2  Materials………………………………………………………………...……………..4 
2.3  Load and Boundary Conditions……………………………………….………………..4 
     3  Method of Analysis…………………………………………………………...………………4 
          3.1  Analysis Parameters………………………………………………..……………………4 
          3.2  Expected Elastic Behavior of Vessel Under Compressive Loading…………………….….5 
          3.3  Eigenvalue Analysis Procedure to Determine Critical Buckling…………………….……...6 
          3.4  Post­buckling Analysis Procedure………………………………………....……………..6 
     4  Results of the Finite Element Simulations……………………………………….……………...6 
          4.1  Results from the Eigenvalue Analysis………………………………....…………………..6 
          4.2  Results from the Post­buckling Analysis…………………………....…………………….7 
                4.2.1  Post­buckling of the Empty Vessel……………………………....…………………7 
                        4.2.1.1  Simulation of the Model With 15993 Elements……………………….……..7  
                        4.2.1.2  Simulation of the Model With 8853 Elements……………………….………8 
                        4.2.1.3  Simulation of the Model With 4993 Elements………………………..……...9 
                        4.2.1.4  Mesh Refinement Comparison of Empty Vessel Models…………………...10 
                4.2.2  Post­buckling of the Vessel Under Normal Operating Conditions………………....10 
                        4.2.2.1  Simulation of the Model With 15993 Elements………………………….....11 
                        4.2.2.2  Simulation of the Model With 8853 Elements…………………………..….11 
                        4.2.2.3  Simulation of the Model with 4993 Elments…………………………….….12 
                        4.2.2.4  Mesh Refinement Comparison of Empty Vessel Models…………………...13 
                5. Conclusions………………………………………………………………………….13 
                6. References…………………………………………………………………………...14 
   
 
 
2 
 
 
I n the cargo tank manufacturing industry it has long been argued that the U.S. Department of 
Transportation (DOT) rules for the design of cargo tanks (49 CFR 178.337­3), which requires a safety 
factor of 4.0 for the allowable stress in the tank wall during an extreme event, are too conservative for 
practical application. In addition, the U.S. DOT rules require the use of the 1998 edition of Section VIII 
of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code, which is now over 10 years out of date, and there has 
been much improvement on the code since then, and it has been shown that leaks in the cargo tank wall 
due to an accident are indeed an extremely rare occurence (see example: 
http://www.fireengineering.com/articles/print/volume­156/issue­7/features/lpg­tanker­rollover­lessons­le
arned­in­suffolk­virginia.html ) .  
 
1. Objectives of the Study 
 
The goal of this analysis is to examine the post­buckling behavior of a cargo tank shell as a result of an 
extreme longitudinal compressive force applied at the rear end. Interpretation of the results may be 
useful to further support the implementation of Section XII (Rules for Construction and Continued 
Service of Transport Tanks) of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code in current US DOT 
regulations. 
 
2. Development of the Analytical Model 
 
2.1 Vessel Geometry 
 
The overall geometry of the transport tank is shown in Figure 1 below. The component that was 
analyzed was the tank bullet, which is herein referred to as the vessel. The vessel consists of a cylindrical 
shell with a hemispherical head at each end. For simplicity, the vessel is modeled with a uniform 
thickness of 0.375”. In addition, the vessel is assumed to be seamless, so that the potential effects of 
weld geometry are not considered. 
 
 
Figure 1: Dimensions of the 12,000 gallon transport tank 
 
 
 
3 
 
 
 
2.2 Materials 
 
The material used for construction of the vessel wall is ASME specification SA­517 grade E. Data for 
the plastic behavior cannot be obtained, so for simplicity, data from typical ASTM A36 steel was 
extrapolated. The extrapolated plastic behavior is summarized below, and used to take into 
consideration the projected material nonlinearity of the system. Lastly, irregularities due to welding 
heat­affected zone, quenching, tempering, and post­weld heat treatment are not considered. 
 
Yield Stress (psi)  Inelastic Strain (in/in) 
100,000  0 
100,000  0.016 
120,000  0.098 
Table 1: Projected plastic behavior data for SA­517E high strength QT steel 
 
2.3 Loads and Boundary Conditions 
 
Shown in Figure 2 below is the general FBD for the vessel model. The buckling load (discussed in later 
sections) will be imposed on the rear end of the tank, while the front end is pinned. 
 
Figure 2: Free­body diagram of the vessel 
 
 
3. Method of Analysis 
 
Finite element modeling was used to simulate the critical buckling and post­buckling behavior of the 
system. The software used to perform the finite element simulation was ABAQUS. The type of elements 
used consisted entirely of thin plate 3D shell elements, using a full integration scheme. 
 
3.1 Analysis Parameters 
 
The effects of mesh refinement of the finite element model were considered for the entire model 
consisting of 15,993 elements, 8,853 elements, and 4,993 elements, respectively. Then, for each mesh 
refinement considered, the vessel was analyzed as (a) an empty vessel under ambient conditions, and 
 
4 
 
 
(b) a fully loaded vessel under normal operating conditions. The definition of “normal operating 
conditions” is as follows:  
1. Cargo tank internal pressure = 250 psi 
2. Cargo tank  loaded with liquefied petroleum gas (LPG) to 85% of nominal capacity  
 
Calculations performed in MATLAB, for the gravity loading imposed by the weight of LPG are shown 
below: 
 
 
 
3.2 Expected Elastic Behavior of Vessel Under Compressive Loading 
 
The calculations are shown below for the expected first­order elastic behavior of the vessel under 
compression. The calculation is idealized for a cylinder under uniform compressive loading. These 
calculations are taken from Timoshenko Book on Elastic Stability.  
 
 
 
5 
 
 
 
3.3 Eigenvalue Analysis Procedure to Determine Critical Buckling 
 
In addition to the calculations above, ABAQUS was used to determine the eigenvalues for buckling. 
This was done by choosing the linear­perturbation procedure for the time step used in the solution 
algorithm. The parameters for this time step are as follows:  
1. Number of Eigenvalues requested: 5 
2. Vectors used per iteration: 10 
3. Maximum number of iterations: 300 
 
A file was then created with the buckling information from this solution, and was imported into the 
post­buckling analysis, described in the next section. 
 
3.4 Post­buckling Analysis Procedure 
 
The post­buckling analysis was performed using an incremental force­based approach. In ABAQUS, 
the Rik’s Algorithm was the chosen solution algorithm. The parameters for this time step are as follows: 
1. Maximum number of increments: 1000 
2. Initial arc length increment: 0.01 
3. Minimum arc length increment: 1e­5 
4. Maximum arc length increment: 1 
5. Estimated total arc length: 1 
 
To add an initial imperfection to the system, the results from the eigenvalue analysis were loaded for the 
first step. Then the imperfection was introduced by taking the displacements from the eigenvalues of the 
first 3 modes and applying a scaling factor. The scaling factors were taken to be 0.0375, 0.01875, and 
0.009375, respectively.  
Finally geometric nonlinearity was analyzed due to the effect of large displacements as the tank buckles, 
by choosing the NLGeom feature in ABAQUS. 
 
4. Results of the Finite Element Simulations 
 
The results shown below are for the eigenvalue and post­buckling simulations ran by ABAQUS, 
including the results for the empty vessel, and the vessel under normal operating conditions, with respect 
to mesh refinement. 
 
4.1 Results from the Eigenvalue Analysis 
 
In the figure shown below details the results from the Eigenvalue analysis. The 5 eigenvalues are shown 
below. 
 
 
 
6 
 
 
Figure 3: Illustration and summary of the results from the eigenvalue analysis using ABAQUS 
4.2 Results from the Post­buckling Analysis 
 
After determining the eigenvalues from the previous analysis, a total load of 5e6 lbs was applied to the 
rear end of the vessel to impose buckling. The results for each case are detailed in the next sections. 
 
4.2.1 Post­buckling of the Empty Vessel 
 
The results for the buckling of the empty vessel with respect to mesh refinement are detailed in the next 
sections. Each mesh consisted of a combination of triangular and quadrilateral shaped shell elements. 
Initially, there were some distorted elements identified. These distortions were eliminated by refining the 
edge seed distances around the problematic areas. Each simulation ran for approximately 10­40 
minutes, until at least 100 load increments were applied. 
 
4.2.1.1 Simulation of the Model With 15993 Elements 
 
The simulation of the empty vessel model with a mesh size of 15993 elements is illustrated below. 
 
 
 
 
 
7 
 
 
 
Figure 4: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the empty 
vessel  model with a mesh size of 15993 elements 
 
4.2.1.2 Simulation of the Model WIth 8853 Elements 
 
The simulation of the empty vessel model with a mesh size of 8853 elements is illustrated below. 
 
 
 
 
Figure 4: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the empty 
vessel  model with a mesh size of 8853 elements 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 
 
 
4.2.1.3 Simulation of the Model With 4993 Elements 
 
The simulation of the empty tank model with a mesh size of 4993 elements is illustrated below. 
 
 
 
Figure 5: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the empty 
vessel  model with a mesh size of 4993 elements 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 
 
 
 
4.2.1.4 Mesh Refinement Comparison of Empty Vessel Models 
 
The figure below illustrates the load­displacement of the rear­end of the empty tank, for each mesh size, 
and the theoretical elastic behavior of the vessel as calculated earlier. It is observed that initially the mesh 
size has no effect on the relative elastic behavior, but immediately after buckling it appears that the 
higher mesh refinement results in a lower load, then converges after 1.5 inches.  
 
 
Figure 6: Plot of the load vs. displacement for each empty vessel model with respect to mesh 
size, in comparison with the theoretical elastic behavior 
 
4.2.2 Post­buckling of the Vessel Under Normal Operating Conditions 
 
The results for the buckling of the vessel under normal operating conditions, with respect to mesh 
refinement are detailed in the next sections. Each mesh consisted of a combination of triangular and 
quadrilateral shaped shell elements. Initially, there were some distorted elements identified. These 
distortions were eliminated by refining the edge seed distances around the problematic areas. Each 
simulation ran for approximately 10­40 minutes, until at least 100 load increments were applied. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
 
 
 
4.2.2.1 Simulation of the Model With 15993 Elements 
 
The simulation of the vessel under normal operating conditions model with a mesh size of 15993 
elements is illustrated below. 
 
 
 
Figure 7: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the vessel 
model under normal operating conditions with a mesh size of 15993 elements 
 
4.2.2.2 Simulation of the Model With 8853 Elements 
 
The simulation of the vessel under normal operating conditions model with a mesh size of 8853 elements 
is illustrated below. 
 
 
 
11 
 
 
 
Figure 8: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the vessel 
model under normal operating conditions with a mesh size of 8853 elements 
 
4.2.2.3 Simulation of the Model With 4993 Elements 
 
The simulation of the vessel under normal operating conditions model with a mesh size of 15993 
elements is illustrated below. 
 
 
 
 
Figure 9: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the vessel 
model under normal operating conditions with a mesh size of 4993 elements 
 
 
 
 
 
12 
 
 
4.2.2.4 Mesh Refinement Comparison of Vessel Under Normal Operating Conditions  
 
The figure below illustrates the load­displacement of the rear­end of the vessel under normal operating 
conditions, for each mesh size, and the theoretical elastic behavior of the vessel as calculated earlier. 
The results for the buckling loads are higher than in Figure 6. This is because the internal pressure 
provides additional stability by resisting bending forces normal to the vessel wall. The relative effect of 
mesh refinement is the same as shown in Figure 6. 
 
 
Figure 10: Plot of the load vs. displacement for each vessel model under normal operating 
conditions with respect to mesh size, in comparison with the theoretical elastic behavior 
 
5. Conclusions 
 
The purpose of this study was to use ABAQUS to examine the post­buckling behavior of a transport 
tank. Geometric nonlinearity, material nonlinearity, and mesh refinement were all considered in the 
analysis.  
The results conclude that the ABAQUS finite element method provides a reasonable analysis 
simulation of the post­buckling behavior of a cargo tank vessel. It can be observed that the behavior in 
the elastic region for both vessel models closely match the theoretical elastic behavior under 
compressive loading. However, in each case, the elastic strength of the vessel is higher for the finite 
element simulations. One reason for this is that the hemispherical heads provide stability to the cylinder, 
whereas the theoretical calculation assumes an open end.  
The critical buckling loads, which are close to 3000 kips in each case are very high, and there 
would likely never be a case in which an impact due to an accident would impose such a force to cause 
the vessel to buckle. Therefore, at least in terms of buckling, the safety factor of 3.5 for allowable stress, 
used in ASME Section VIII Division 1, or Section XII is a conservative enough value for application. 
For the extensive time it took (approximately 2 hours total) to simulate the 
 
13 
 
 
buckling/post­buckling behavior of the vessel, it is probably not feasible to use the results for persuasion 
of the U.S. government to update its regulations, especially when they already continue to implement 
codes that are over 10 years out of date. Furthermore, buckling is only one aspect of vessel failure to be 
investigated. Finally, only the longitudinal direction of loading was examined. Loadings in the lateral and 
vertical directions should also be examined to compare with the load requirements in current regulations. 
 
 
 
References: 
 
Goodman, Kent. "Buckling Stress Check for a Vertical Vessel."  Www.maximumreach.com . Maximum 
Reach Enterprises, 2 Nov. 2012. Web. 9 June 2016. 
<http://www.maximumreach.com/Buckling%20Stress%20Check.pdf>. 
Haring, Raymond. "LPG Tanker Truck Rollover: Lessons Learned in Suffolk Virginia." 
Fireengineering.com . Fire Engineering, July 2003. Web. 9 June 2016. 
< http://www.fireengineering.com/articles/print/volume­156/issue­7/features/lpg­tanker­rollover­l
essons­learned­in­suffolk­virginia.html >. 
ASME Bolier and Pressure Vessel Code Section VIII 
US Code of Federal Regulations: Transportation, 49 CFR 178.337­3, Design and Construction of MC 
331 Cargo Tanks 
 
 
 
14 

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (15)

La danza.
La danza.La danza.
La danza.
 
No strings attached - a white paper by HP and Staples
No strings attached - a white paper by HP and StaplesNo strings attached - a white paper by HP and Staples
No strings attached - a white paper by HP and Staples
 
one year experinece
one year experineceone year experinece
one year experinece
 
Ante proyecto 11:04
Ante proyecto 11:04Ante proyecto 11:04
Ante proyecto 11:04
 
Thomas_Mahoney_Manager
Thomas_Mahoney_ManagerThomas_Mahoney_Manager
Thomas_Mahoney_Manager
 
Presentacion de power point vybc
Presentacion de power point vybcPresentacion de power point vybc
Presentacion de power point vybc
 
IJOP_12249_REV_EV
IJOP_12249_REV_EVIJOP_12249_REV_EV
IJOP_12249_REV_EV
 
Admon. de cadena de suministro
Admon. de cadena de suministroAdmon. de cadena de suministro
Admon. de cadena de suministro
 
Presentación1
Presentación1Presentación1
Presentación1
 
Pablo garcía velasco práctica 1
Pablo garcía velasco práctica 1Pablo garcía velasco práctica 1
Pablo garcía velasco práctica 1
 
Herramientas web 2.0 tarea VI
Herramientas web 2.0 tarea VIHerramientas web 2.0 tarea VI
Herramientas web 2.0 tarea VI
 
Human_Activity_Recognition_Predictive_Model
Human_Activity_Recognition_Predictive_ModelHuman_Activity_Recognition_Predictive_Model
Human_Activity_Recognition_Predictive_Model
 
Wbc apresentação
Wbc apresentaçãoWbc apresentação
Wbc apresentação
 
San Andres Islands
San Andres Islands San Andres Islands
San Andres Islands
 
Pereira capital del eje
Pereira capital del ejePereira capital del eje
Pereira capital del eje
 

Similar to Boutilier CEE 506 Project 2

Experimental Investigation of Mist Film Cooling and Feasibility S
Experimental Investigation of Mist Film Cooling and Feasibility SExperimental Investigation of Mist Film Cooling and Feasibility S
Experimental Investigation of Mist Film Cooling and Feasibility SReda Ragab
 
dissertation (Dr. Myo NA)
dissertation (Dr. Myo NA)dissertation (Dr. Myo NA)
dissertation (Dr. Myo NA)Myo Aye
 
Spring 2017 Senior Design - Medaka Corporation
Spring 2017 Senior Design - Medaka CorporationSpring 2017 Senior Design - Medaka Corporation
Spring 2017 Senior Design - Medaka CorporationCullen Billhartz
 
Mclaren report-part-ii-2
Mclaren report-part-ii-2Mclaren report-part-ii-2
Mclaren report-part-ii-2John Connor
 
Доповідь Макларена. Друга частина
Доповідь Макларена. Друга частинаДоповідь Макларена. Друга частина
Доповідь Макларена. Друга частинаtsnua
 
LChen_diss_Pitt_FVDBM
LChen_diss_Pitt_FVDBMLChen_diss_Pitt_FVDBM
LChen_diss_Pitt_FVDBMLeitao Chen
 
GRADUATION THESIS FINAL
GRADUATION THESIS FINALGRADUATION THESIS FINAL
GRADUATION THESIS FINALThang Vu Dinh
 
Smith randall 15-rolling-element-bearing-diagnostics-cwu
Smith randall 15-rolling-element-bearing-diagnostics-cwuSmith randall 15-rolling-element-bearing-diagnostics-cwu
Smith randall 15-rolling-element-bearing-diagnostics-cwuProto Gonzales Rique
 
lecture notes fluid mechanics.pdf
lecture notes fluid mechanics.pdflecture notes fluid mechanics.pdf
lecture notes fluid mechanics.pdfLaggo Anelka
 
lecture notes fluid mechanics.pdf
lecture notes fluid mechanics.pdflecture notes fluid mechanics.pdf
lecture notes fluid mechanics.pdfTsegaye Getachew
 
Central Water Commission Ministry Of Water Resources ,Govt. of India
Central Water Commission Ministry Of Water Resources ,Govt. of IndiaCentral Water Commission Ministry Of Water Resources ,Govt. of India
Central Water Commission Ministry Of Water Resources ,Govt. of IndiaAnshumaan Bhatt
 
Rocket and spacecraft propulsion
Rocket and spacecraft propulsionRocket and spacecraft propulsion
Rocket and spacecraft propulsionLsquirrel
 
EngineFinalReport
EngineFinalReportEngineFinalReport
EngineFinalReport文博 贾
 

Similar to Boutilier CEE 506 Project 2 (20)

Experimental Investigation of Mist Film Cooling and Feasibility S
Experimental Investigation of Mist Film Cooling and Feasibility SExperimental Investigation of Mist Film Cooling and Feasibility S
Experimental Investigation of Mist Film Cooling and Feasibility S
 
dissertation (Dr. Myo NA)
dissertation (Dr. Myo NA)dissertation (Dr. Myo NA)
dissertation (Dr. Myo NA)
 
Thesis
ThesisThesis
Thesis
 
GlebPhysicsThesis
GlebPhysicsThesisGlebPhysicsThesis
GlebPhysicsThesis
 
Spring 2017 Senior Design - Medaka Corporation
Spring 2017 Senior Design - Medaka CorporationSpring 2017 Senior Design - Medaka Corporation
Spring 2017 Senior Design - Medaka Corporation
 
design and analysis of pressure vessel
design and analysis of pressure vesseldesign and analysis of pressure vessel
design and analysis of pressure vessel
 
Mclaren report-part-ii-2
Mclaren report-part-ii-2Mclaren report-part-ii-2
Mclaren report-part-ii-2
 
Доповідь Макларена. Друга частина
Доповідь Макларена. Друга частинаДоповідь Макларена. Друга частина
Доповідь Макларена. Друга частина
 
LChen_diss_Pitt_FVDBM
LChen_diss_Pitt_FVDBMLChen_diss_Pitt_FVDBM
LChen_diss_Pitt_FVDBM
 
GRADUATION THESIS FINAL
GRADUATION THESIS FINALGRADUATION THESIS FINAL
GRADUATION THESIS FINAL
 
Smith randall 15-rolling-element-bearing-diagnostics-cwu
Smith randall 15-rolling-element-bearing-diagnostics-cwuSmith randall 15-rolling-element-bearing-diagnostics-cwu
Smith randall 15-rolling-element-bearing-diagnostics-cwu
 
MSci Report
MSci ReportMSci Report
MSci Report
 
lecture notes fluid mechanics.pdf
lecture notes fluid mechanics.pdflecture notes fluid mechanics.pdf
lecture notes fluid mechanics.pdf
 
lecture notes fluid mechanics.pdf
lecture notes fluid mechanics.pdflecture notes fluid mechanics.pdf
lecture notes fluid mechanics.pdf
 
Isome hoa pdf
Isome hoa pdfIsome hoa pdf
Isome hoa pdf
 
Central Water Commission Ministry Of Water Resources ,Govt. of India
Central Water Commission Ministry Of Water Resources ,Govt. of IndiaCentral Water Commission Ministry Of Water Resources ,Govt. of India
Central Water Commission Ministry Of Water Resources ,Govt. of India
 
Rocket and spacecraft propulsion
Rocket and spacecraft propulsionRocket and spacecraft propulsion
Rocket and spacecraft propulsion
 
Table
TableTable
Table
 
jmaruski_1
jmaruski_1jmaruski_1
jmaruski_1
 
EngineFinalReport
EngineFinalReportEngineFinalReport
EngineFinalReport
 

Boutilier CEE 506 Project 2