Comparative assessment of element types for evaluating local elastic buckling behavior of rectangular hollow sections using finite element analysis

Abstract

This study systematically evaluates the performance of conventional shell elements in Abaqus for predicting the local elastic buckling behavior of rectangular hollow sections (RHSs) under various loading conditions, including axial compression, major axis bending, and minor axis bending. Theoretical local buckling coefficients were first derived based on the cross-sectional dimensions of RHSs and used to calculate the critical local buckling stress for each loading scenario. Finite element analyses (FEA) were then performed using different shell element types, including four-node and eight-node elements, to assess their accuracy and computational efficiency. The results indicate that four-node shell elements (S4, S4R) offer a favorable balance of accuracy and significantly reduced computational time, making them the most efficient option. In contrast, eight-node elements (S8R, S8R5) provide marginally higher accuracy but require substantially longer computation times and have limited applicability. This study underscores the importance of selecting appropriate elements to achieve a balance between accuracy and efficiency, providing valuable guidance for engineers in structural design. By optimizing element selection for modeling local elastic buckling in RHSs, the research improves computational efficiency and supports the development of more reliable, cost-effective designs.Bu çalışma, eksenel basma, büyük eksen eğilmesi ve küçük eksen eğilmesi dahil olmak üzere çeşitli yükleme koşulları altında içi boş dikdörtgen kesitlerin (İBDK'lar) yerel elastik burkulma davranışını tahmin etmek için Abaqus'taki geleneksel kabuk elemanlarının performansını sistematik olarak değerlendirir. Teorik yerel burkulma katsayıları ilk önce İBDK'ların enine kesit boyutlarına dayanarak türetilmiş ve her yükleme senaryosu için kritik yerel burkulma gerilimini hesaplamak için kullanılmıştır. Daha sonra, doğruluklarını ve hesaplama verimliliklerini değerlendirmek için dört düğümlü ve sekiz düğümlü elemanlar dahil olmak üzere farklı kabuk eleman tipleri kullanılarak sonlu eleman analizleri (SEA) gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, dört düğümlü kabuk elemanlarının (S4, S4R) doğruluk ve önemli ölçüde azaltılmış hesaplama süresi arasında uygun bir denge sunduğunu ve bunları en verimli seçenek haline getirdiğini göstermektedir. Bunun aksine, sekiz düğümlü elemanlar (S8R, S8R5) marjinal olarak daha yüksek doğruluk sağlar, ancak önemli ölçüde daha uzun hesaplama süreleri gerektirir ve sınırlı uygulanabilirliğe sahiptir. Bu çalışma, doğruluk ve verimlilik arasında bir denge sağlamak için uygun elemanların seçilmesinin önemini vurgulayarak, yapısal tasarımda mühendislere değerli rehberlik sağlar. Araştırma, İBDK'larda yerel elastik burkulmayı modellemek için eleman seçimini optimize ederek hesaplama verimliliğini artırır ve daha güvenilir, maliyet açısından etkili tasarımların geliştirilmesini destekler.