Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.8
no.2
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pp.147-158
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2004
For stiffened plates composed of composite materials, many researchers have used a finite element method which connected isoparametric plate elements and beam elements. However, the finite element method is difficult to reflect local behavior of stiffener because beam elements are transferred stiffness for nodal point of plate elements, especially the application is limited in case of laminated composite structures. In this paper, for analysis of laminated composite stiffened plates, 3D shell elements for stiffener and plate are employed. Reissner-Mindlin's first order shear deformation theory is considered in this study. But when thickness will be thin, isoparamatric plate bending element based on the theory of Reissner-Mindlin is generated by transverse shear locking. To eliminate the shear locking and virtual zero energy mode, the substitute shear strain field is used. A deflection distribution is investigated for simple supported rectangular and skew stiffened laminated composite plates with arbitrary orientation stiffener as not only variation of slenderness and aspect ratio of the plate but also variation of skew angle of skew stiffened plates.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.29
no.1
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pp.158-172
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1992
In ships and offshore structures, there are many local structures formed of thick plates and/or having the form of double wall panels. For the vibration analysis of such a kind of structures, Mindlin plate theory which includes the effects of shear deformation and rotary inertia is usually adopted. In this paper, the vibration and dynamic sensitivity analysis of Mindlin plates having the boundary conditions elastically restrained against rotation have been accomplished using the Rayleigh-Ritz method. Polynomials having the property of the Timoshenko beam functions are introduced and used as trial functions in the spatial representation of the deflection and rotations of cross sections in two directions of the plates. The results obtained by the introduced polynomials gave nearly the same numerical results as those by the Timoshenko beam functions with the remarkable reduction of computational efforts especially in the dynamic sensitivity analysis.
This paper presents a new nine-node Lagrangian quadrilateral plate bending element (MQP9) using the Integrated Force Method (IFM) for the analysis of thin and moderately thick plate bending problems. Three degrees of freedom: transverse displacement w and two rotations ${\theta}_x$ and ${\theta}_y$ are considered at each node of the element. The Mindlin-Reissner theory has been employed in the formulation which accounts the effect of shear deformation. Many standard plate bending benchmark problems have been analyzed using the new element MQP9 for various grid sizes via Integrated Force Method to estimate defections and bending moments. These results of the new element MQP9 are compared with those of similar displacement-based plate bending elements available in the literature. The results are also compared with exact solutions. It is observed that the presented new element MQP9 is free from shear locking and produced, in general, excellent results in all plate bending benchmark problems considered.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.2
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pp.445-454
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1991
In this thesis, Mindlin plate element with nine nodes and three degrees-of-freedom at each node is formulated and is employed in eigen-analysis of a rectangular plates in order to alleviate locking phenomenon of eigenvalues. Eigenvalues and their modes may be locked if conventional $C_{0}$-isoparametric element is used. In order to reduce stiffness locking phenomenon, two methods (1, the general reduced and selective integration, 2, the new element that use of modified shape function) are studied. Additionally in order to reduce the error due to mass matrix, two mass matrixes (1, Gauss-Legendre mass matrix, 2, Gauss-Lobatto mass matrix) are considered. The results of eigen-analysis for two models (the square plate with all edges simply-supported and all edges built-in), computed by two methods for stiffness matrix and by two mass matrixes are compared with theoretical solutions and conventional numerical solutions. These comparisons show that the performance of the two methods with Gauss-Lobatto mass matrix is better than that of the conventional plate element. But, by considering the spurious rigid body motions, the element which employs modified shape function with full integration and Gauss-Lobatto mass matrix can elevate the accuracy and convergence of numerical solutions.
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
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v.35
no.1
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pp.54-59
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1999
High-speed electronic digital computers have enabled engineers to employ various numerical discretization techniques for solutions of complex problems. The Finite Element Method is one of the such technique. The Finite Element Method is one of the numerical analysis based on the concepts of fundamental mathematical approximation. Three dimensional plate structures used often in partition of ship, box girder and frame are analyzed by Finite Element Method. In design of structures, the static deflections, stress concentrations and dynamic deflections must be considered. However, these problem belong to geometrically nonlinear mechanical structure analysis. The analysis of each element is independent, but coupling occurs in assembly process of elements. So, to overcome such a difficulty the shell theory which includes transformation matrix and a fictitious rotational stiffness is taken into account. Also, the Mindlin's theory which is considered the effect of shear deformation is used. The Mindlin's theory is based on assumption that the normal to the midsurface before deformation is "not necessarily normal to the midsurface after deformation", and is more powerful than Kirchoff's theory in thick plate analysis. To ensure that a small number of element can represent a relatively complex form of the type which is liable to occur in real, rather than in academic problem, eight-node quadratic isoparametric elements are used. are used.
In recent years there are many plate bending elements that emerged for solving both thin and thick plates. The main features of these elements are that they are based on mix formulation interpolation with discrete collocation constraints. These elements passed the patch test for mix formulation and performed well for linear analysis of thin and thick plates. In this paper a member of this family of elements, namely, the Discrete Reissner-Mindlin (DRM) is further extended and developed to analyze both thin and thick plates with geometric nonlinearity. The Von K$\acute{a}$rm$\acute{a}$n's large displacement plate theory based on Lagrangian coordinate system is used. The Hu-Washizu variational principle is employed to formulate the stiffness matrix of the geometrically Nonlinear Discrete Reissner-Mindlin (NDRM). An iterative-incremental procedure is implemented to solve the nonlinear equations. The element is then tested for plates with simply supported and clamped edges under uniformly distributed transverse loads. The results obtained using the geometrically NDRM element is then compared with the results of available analytical solutions. It has been observed that the NDRM results agreed well with the analytical solutions results. Therefore, it is concluded that the NDRM element is both reliable and efficient in analyzing thin and thick plates with geometric non-linearity.
Using the Mindlin-Reissner plate theory, many quadrilateral plate bending elements have been developed so far to analyze thin and moderately thick plate problems via displacement based finite element method. Here new formulation has been made to analyze thin and moderately thick plate problems using force based finite element method called Integrated Force Method (IFM). The IFM is a novel matrix formulation developed in recent years for analyzing civil, mechanical and aerospace engineering structures. In this method all independent/internal forces are treated as unknown variables which are calculated by simultaneously imposing equations of equilibrium and compatibility conditions. In this paper the force based new bilinear quadrilateral plate bending element (MQP4) is proposed to analyze the thin and moderately thick plate bending problems using Integrated Force Method. The Mindlin-Reissner plate theory has been used in the formulation of this element which accounts the effect of shear deformation. Standard plate bending benchmark problems are analyzed using the proposed element MQP4 via Integrated Force Method to study its performance with respect to accuracy and convergence, and results are compared with those of displacement based 4-node quadrilateral plate bending finite elements available in the literature. The results are also compared with the exact solutions. The proposed element MQP4 is free from shear locking and works satisfactorily in both thin and moderately thick plate bending situations.
In this paper an 8-node quadrilateral assumed stress hybrid Mindlin plate element with $39{\beta}$ is presented. The formulation is based on complementary energy principle. The proposed element is free of shear locking and is capable of passing all the patch tests, especially the non-zero constant shear enhanced patch test. To accomplish this purpose, special attention is devoted to selecting boundary displacement interpolation and stress approximation in domain. The arbitrary order Timoshenko beam function is successfully used to derive the boundary displacement interpolation. According to the equilibrium equations, an appropriate stress approximation is rationally derived. Particularly, in order to improve element's accuracy, the assumed stress field is derived by employing $39{\beta}$ rather than conventional $21{\beta}$. The resulting element can be adopted to analyze both moderately thick and thin plates, and the convergence for the very thin case can be ensured theoretically. Excellent element performance is demonstrated by a wide of experimental evaluations.
The purpose of this paper is to study shear locking-free parametric earthquake analysis of thick and thin plates using Mindlin's theory, to determine the effects of the thickness/span ratio, the aspect ratio and the boundary conditions on the linear responses of thick and thin plates subjected to earthquake excitations. In the analysis, finite element method is used for spatial integration and the Newmark-${\beta}$ method is used for the time integration. Finite element formulation of the equations of the thick plate theory is derived by using higher order displacement shape functions. A computer program using finite element method is coded in C++ to analyze the plates clamped or simply supported along all four edges. In the analysis, 17-noded finite element is used. Graphs are presented that should help engineers in the design of thick plates subjected to earthquake excitations. It is concluded that 17-noded finite element can be effectively used in the earthquake analysis of thick and thin plates. It is also concluded that, in general, the changes in the thickness/span ratio are more effective on the maximum responses considered in this study than the changes in the aspect ratio.
The Integrated Force Method (IFM) is a novel matrix formulation developed for analyzing the civil, mechanical and aerospace engineering structures. In this method all independent/internal forces are treated as unknown variables which are calculated by simultaneously imposing equations of equilibrium and compatibility conditions. This paper presents a new 12-node serendipity quadrilateral plate bending element MQP12 for the analysis of thin and thick plate problems using IFM. The Mindlin-Reissner plate theory has been employed in the formulation which accounts the effect of shear deformation. The performance of this new element with respect to accuracy and convergence is studied by analyzing many standard benchmark plate bending problems. The results of the new element MQP12 are compared with those of displacement-based 12-node plate bending elements available in the literature. The results are also compared with exact solutions. The new element MQP12 is free from shear locking and performs excellent for both thin and moderately thick plate bending situations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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