The presence of elevated temperature can alter significantly the structural response of fibre-reinforced laminated composites. A thermal environment causes degradation in both strength and constitutive properties, particularly in the case of fibre-reinforced polymeric composites. Furthermore, associated thermal expansion, either alone or in combination with mechanically induced deformation, can result in buckling, large deflections, and excessively high stress levels. Consequently, it is often imperative to consider environmental effects in the analysis and design of laminated systems. Exact analytical solutions of higher-order shear deformation theory is developed to study the thermal buckling of cross-ply and antisymmetric angle-ply rectangular plates. The buckling behavior of moderately thick cross-ply and antisymmetric angle-ply laminates that are simply supported and subject to a uniform temperature rise is analyzed. Numerical results are presented for fiber-reinforced laminates and show the effects of ply orientation, number of layers, plate thickness, and aspects ratio on the critical buckling temperature and compared with those obtained using the classical and first-order shear deformation theory.
Kim, Mun-Hyeon;Gang, Yeong-Gyu;Park, Hyeon-Cheol;Hwang, Un-Bong;Han, Gyeong-Seop
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.10
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pp.3173-3185
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1996
Multi-model vibration control of laminated composites plates for various fiver orientations has been carried out by making use of piezolectric materials(PZT) as sensors and actuators. Cantilever plate is used as a specimen to test multi-modal vibration supression under random exitation. Impulse technique is applied to determine the natural frequency, the damping ratio(.zeta.) and the modal damping(2.zeta..omega.) of the first bending and the trosion modes. Two independent controllers are implemented to control the two modes simultaneously and established digitally on the basis of the direct negative velocity feedback control with collocated sensor/actuator. Experimental results for various fiber orientations and feedback gains are compared with finite element analysis considering stiffnesses and dampings of piezoeletiric sensors, actuators and bonding layer.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.6
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pp.1365-1381
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1990
A $C^{0}$ continuous displacement finite element method based on a higher-order shear deformation theory is employed in the prediction of the transient response of laminated composite plates subjected to low-velocity impact. A modified contact law was applied to calculate the contact force during impact. The discrete element chosen is a nine-noded quadrilateral with 5 degree-of-freedom per node. The Wilson-.theta. time integration algorithm is used for solving the time dependent equations of the impactor and the central difference method was adopted to perform time integration of the plate. Numerical results, including the contact force history, deflection, and velocity history, are presented. Comparisons of numerical results using a higher order theory and a first-order theory show that using a higher order theory provides more accurate results. Effects of boundary condition, impact velocity, and mass of the impactors are also discussed.d.
Ola Ragb;Mohamed Abd Elkhalek;M.S. Matbuly;Mohamed Salah;Mohamed Eltaher;Tharwat Osman
Steel and Composite Structures
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v.53
no.1
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pp.1-27
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2024
This work presents the effectiveness of differential quadrature shape functions (i.e., Lagrange interpolation polynomial, Cardinal sine function, Delta Lagrange kernel and Regularized Shannon kernel) in the solution of nonlinear vibration of multilayers piezoelectric plates with nonlinear elastic support. A piezoelectric composite laminated plate is rested on nonlinear Winkler and Visco-Pasternak elastic foundations problems. Based on 3D elasticity theory and piezoelectricity, the governing equations of motion are derived. Differential quadrature methods based on four shape functions are presented as numerical techniques for solving this problem. The perturbation method is implemented to solve the obtained nonlinear eigenvalue problem. A MATLAB code is written for each technique for solving this problem and extract the numerical results. To validate these methods, the computed results are we compare with the previous exact results. In addition, parametric analyses are offered to investigate the influence of length to thickness ratio, elastic foundation parameters, various boundary conditions, and piezoelectric layers thickness on the natural frequencies and mode shapes. Consequently, it is discovered that the obtained results via the proposed schemes can be applied in structural health monitoring.
In this study, free vibration analysis of laminated composite parabolic thick plate frames by using finite element method is introduced. Governing equations of an eigenvalue problem are obtained from First Order Shear Deformation Theory (FSDT). Finite element method is employed to obtain natural frequency values from the governing differential equations. The frames consist of two flat square plates and one singly curved plate. Parameters like radii of curvature, aspect ratio, ply orientation and boundary conditions are investigated to understand their effect on dynamic behavior of such a structure. In addition, multi-bay structures of such geometry with different stacking order are also taken into account. The composite frame structures are also modeled and simulated via ANSYS to verify the accuracy of the present study.
The main goal of this paper is to study vibration of damaged core laminated sectorial plates with Functionally graded (FG) face sheets based on three-dimensional theory of elasticity. The structures are made of a damaged isotropic core and two external face sheets. These skins are strengthened at the nanoscale level by randomly oriented Carbon nanotubes (CNTs) and are reinforced at the microscale stage by oriented straight fibers. These reinforcing phases are included in a polymer matrix and a three-phase approach based on the Eshelby-Mori-Tanaka scheme and on the Halpin-Tsai approach, which is developed to compute the overall mechanical properties of the composite material. Three complicated equations of motion for the sectorial plates under consideration are semi-analytically solved by using 2-D differential quadrature method. Using the 2-D differential quadrature method in the r- and z-directions, allows one to deal with sandwich annular sector plate with arbitrary thickness distribution of material properties and also to implement the effects of different boundary conditions of the structure efficiently and in an exact manner. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. The sandwich annular sector plate is assumed to be simply supported in the radial edges while any arbitrary boundary conditions are applied to the other two circular edges including simply supported, clamped and free. Several parametric analyses are carried out to investigate the mechanical behavior of these multi-layered structures depending on the damage features, through-the-thickness distribution and boundary conditions.
First time, an exact solution for free vibration of the Levy-type rectangular laminated plate is developed considering the most efficient Zig-Zag theory (ZIGT) and third order theory (TOT). The plate is subjected to hard simply supported boundary condition (Levy-type) along x axis. Using the equilibrium equations and the plate constitutive relations, a set of 12 m first order differential homogenous equations are obtained, containing displacements and stress resultant as primary variables. The natural frequencies of a single-layer isotropic, multi-layer composites and sandwich plates are tabulated for three values of length-to-thickness ratio (S) and five set of boundary conditions and further assessed by comparing with existing literature and recently developed 3D EKM (extended Kantorovich method) solution. It is found that for the symmetric composite plate, TOT produces better results than ZIGT. For antisymmetric and sandwich plates, ZIGT predicts the frequency for different boundary conditions within 3% error with respect to 3D elasticity solution while TOT gives 10% error. But, ZIGT gives better predictions than the TOT concerning the displacement and stress variables.
In this paper the geometrically nonlinear continuum plate finite element model, hitherto not reported in the literature, is developed using the total Lagrange formulation. With the layerwise displacement field of Reddy, nonlinear Green-Lagrange small strain large displacements relations (in the von Karman sense) and linear elastic orthotropic material properties for each lamina, the 3D elasticity equations are reduced to 2D problem and the nonlinear equilibrium integral form is obtained. By performing the linearization on nonlinear integral form and then the discretization on linearized integral form, tangent stiffness matrix is obtained with less manipulation and in more consistent form, compared to the one obtained using laminated element approach. Symmetric tangent stiffness matrixes, together with internal force vector are then utilized in Newton Raphson's method for the numerical solution of nonlinear incremental finite element equilibrium equations. Despite of its complex layer dependent numerical nature, the present model has no shear locking problems, compared to ESL (Equivalent Single Layer) models, or aspect ratio problems, as the 3D finite element may have when analyzing thin plate behavior. The originally coded MATLAB computer program for the finite element solution is used to verify the accuracy of the numerical model, by calculating nonlinear response of plates with different mechanical properties, which are isotropic, orthotropic and anisotropic (cross ply and angle ply), different plate thickness, different boundary conditions and different load direction (unloading/loading). The obtained results are compared with available results from the literature and the linear solutions from the author's previous papers.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1997.04a
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pp.42-48
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1997
The dynamic response of symmetric cross-ply and angle-ply composite laminated plates under impact loads is investigated using a higher order shear deformation theory. A modified Hertz law is used to predict the impact loads and a four node finite element is used to model the plate. By using a higher order shear deformation theory, the out-of-plane shear stresses, which can be a crucial factor in the failure of composite plates, are determined with significant accuracy. The results compared with previous investigations showed good agreement. The effect of ply sequence and ply angle on the contact force is also studied.
Laminated composite plates are utilized extensively in different fields of construction and industry thanks to their advantages such as high stiffness-to-weight ratio. Additionally, they are characterized by their directional properties that permit the designer to optimize their stiffness for specific applications. This paper presents a numerical analysis and optimization study of plates made of composite subjected to low velocity impact. The main aim is to identify the optimum fiber orientations of the composite plates that resist low velocity impact load. First, a three-dimensional finite element model is built using LS DYNA computer software package to perform the impact analyses. The composite plate has been modeled using solid elements. The failure criteria of Tsai-Wu's criterion have been used to control the strength of the composite material. A good agreement has been found between the predicted numerical results and experimental results in the literature which validate the finite element model. Then, an Adaptive Simulated Annealing (ASA) has been used to optimize the response of impacted composite laminate where its objective is to maximize the safety factor by varying the ply angles. The results show that the ASA is robust in the sense that it is capable of predicting the best optimal designs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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