Abstract Variable stiffness (VS) composite laminates provide larger freedom to design thin-walled structures than constant stiffness (CS) composite laminates. They showed to allow the redistributing of stresses, improving buckling and post-buckling performance and, therefore, reducing material weight and costs. This work extends a recently developed mixed shell element, MISS-4C, to the postbuckling analysis of VS composite laminate structures. MISS-4C has a linear elastic closed-form solution for the stress interpolation of symmetric composite materials. Its stress field interpolation is obtained by the minimum number of parameters, making it an isostatic element. Moreover, its kinematic is only assumed along its contour, leading to an efficient evaluation of all operators obtained through analytical integration along the element contour. MISS-4C uses a corotational approach within a fast multi-modal Koiter algorithm to efficiently obtain the initial post-buckling response of VS composite laminate structures. First, the element performance is investigated by analysing a carbon fibre VS composite laminate plate subjected to compressive stresses. Numerical results obtained with MISS-4C are compared with those obtained with the MISS-4 element, showing good accuracy and a high convergence rate. Subsequently, the structural response of a glass fibre VS composite laminate girder of a short-length bridge is optimised through a multi-objective optimisation that exploits the robustness of the MISS-4C element and the efficiency of the multi-modal Koiter algorithm.

Pressure vessels are widely used in various aerospace and automotive applications. For some applications with limited space, spherical and ellipsoidal shapes are less attractive than toroids. Toroidal shapes can be defined as curved, endless hollow shapes that eliminate the need for end caps when used for pressure vessels. This study presents an analytical formulation using lamination parameters for the novel design of toroidal pressure vessels. The proposed design is based on stiffness tailoring by changing the fiber tow trajectories spatially through the structure to suppress the direct stress and strain gradients in the thickness direction, leading to reduced structural weight, defined as bend-free variable-angle-tow (VAT) toroidal pressure vessels. For a toroidal pressure vessel with a fixed geometry, the VAT distribution through the structure to suppress bending is obtained. Subsequently, the bending stresses and strain levels in the designed VAT toroidal pressure vessels are assessed numerically and compared with those of their isotropic and constant-stiffness composite counterparts. Results show that the designed VAT toroidal pressure vessel generates considerably lower degrees of bending than its corresponding isotropic and constant-stiffness composite counterparts.