In this paper a computer program is developed for the determination of geometrical and material properties of composite thin-walled beams with arbitrary open cross-section and any arbitrary laminate stacking sequence. Theory of thin-walled composite beams is based on assumptions consistent with the Vlasov's beam theory and classical lamination theory. The program is written in Fortran 77. Some numerical examples are given, with complete information about input and output.
A method based on finite element discretization is developed for optimizing the polarization profile of PVDF film to create the modal transducer for specific modes. Using this concept, one can design the modal transducer in two-dimensional structure having arbitrary geometry and boundary conditions. As a practical means for implementing this polarization profile without repoling the PVDF film the polarization profile is approximated by optimizing electrode patterns, lamination angles, and poling directions of the multi-layered PVDF transducer. This corresponds to the approximation of a continuous function using discrete values. The electrode pattern of each PVDF layer is optimized by deciding the electrode of each finite element to be used or not. Genetic algorithm, suitable for discrete problems, is used as an optimization scheme. For the optimization of each layers lamination angle, the continuous lamination angle is encoded into discrete value using binary 5 bit string. For the experimental demonstration, a modal sensor for first and second modes of cantilevered composite plate is designed using two layers of PVDF films. The actuator is designed based on the criterion of minimizing the system energy in the control modes under a given initial condition. Experimental results show that the signals from residual modes are successfully reduced using the optimized multi-layered PVDF sensor. Using discrete LQG control law, the modal peaks of first and second modes are reduced in the amount of 12 dB and 4 dB, resepctively.
Free vibration of a thin-walled laminated composite beam is studied. A general analytical model applicable to the dynamic behavior of a thin-walled channel section composite is developed. This model is based on the classical lamination theory, and accounts for the coupling of flexural and torsional modes for arbitrary laminate stacking sequence configuration. i.e. unsymmetric as well as symmetric, and various boundary conditions. A displacement-based one-dimensional finite element model is developed to predict natural frequencies and corresponding vibration modes for a thin-walled composite beam. Equations of motion are derived from the Hamilton's principle. Numerical results are obtained for thin-walled composite addressing the effects of fiber angle. modulus ratio. and boundary conditions on the vibration frequencies and mode shapes of the composites.
The static analysis of structures with arbitrary cross-section geometry and material lamination via a refined one-dimensional (1D) approach is presented in this paper. Higher-order 1D models with a variable order of expansion for the displacement field are developed on the basis of Carrera Unified Formulation (CUF). Classical Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are obtained as particular cases of the first-order model. Numerical results of displacement, strain and stress are provided by using the finite element method (FEM) along the longitudinal direction for different configurations in excellent agreement with three-dimensional (3D) finite element solutions. In particular, a layered thin-walled cylinder is considered as first assessment with a laminated conventional cross-section. An atherosclerotic plaque is introduced as a typical structure with arbitrary cross-section geometry and studied for both the homogeneous and nonhomogeneous material cases through the 1D variable kinematic models. The analyses highlight limitations of classical beam theories and the importance of higher-order terms in accurately detecting in-plane cross-section deformation without introducing additional numerical problems. Comparisons with 3D finite element solutions prove that 1D CUF provides remarkable three-dimensional accuracy in the analysis of even short and nonhomogeneous structures with arbitrary geometry through a significant reduction in computational cost.
Generalised plane strain solution is presented for simply supported, angle-ply laminated hybrid plate under cylindrical bending. The arbitrary constants in the general solution of the governing differential equations are obtained from the boundary and interface conditions. The response of hybrid plates to sinusoidal loads is obtained to illustrate the effect of the thickness parameter and the ply-angle. The classical lamination theory and the first order shear deformation theory are also assessed.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.489-496
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2002
The lateral buckling of a laminated composite beam is studied. A general analytical model applicable to the lateral buckling of a composite beam subjected to various types of loadings is derived. This model is based on the classical lamination theory, and accounts for the material coupling for arbitrary laminate stacking sequence configuration and various boundary conditions. The effects of the location of applied loading on the buckling capacity are also included in the analysis. A displace-based one-dimensional finite element model is developed to predict critical loads and corresponding buckling modes for a thin-walled composite beam with arbitrary boundary conditions. Numerical results are obtained for thin-walled composites under central point load, uniformly distributed load, and pure bending with angle-ply and laminates. The effects of fiber orientation location of applied load, and types of loads on the critical buckling loads are parametrically studied.
For the spatially coupled free vibration analysis of composite box beams resting on elastic foundation under the axial force, the exact solutions are presented by using the power series method based on the homogeneous form of simultaneous ordinary differential equations. The general vibrational theory for the composite box beam with arbitrary lamination is developed by introducing Vlasov°Øs assumption. Next, the equations of motion and force-displacement relationships are derived from the energy principle and explicit expressions for displacement parameters are presented based on power series expansions of displacement components. Finally, the dynamic stiffness matrix is calculated using force-displacement relationships. In addition, the finite element model based on the classical Hermitian interpolation polynomial is presented. To show the performances of the proposed dynamic stiffness matrix of composite box beam, the numerical solutions are presented and compared with the finite element solutions using the Hermitian beam elements and the results from other researchers. Particularly, the effects of the fiber orientation, the axial force, the elastic foundation, and the boundary condition on the vibrational behavior of composite box beam are investigated parametrically. Also the emphasis is given in showing the phenomenon of vibration mode change.
Kouchakzadeh, Mohammad Ali;Rahgozar, Meysam;Bohlooly, Mehdi
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.5
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pp.577-588
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2020
A unified solution is presented for the buckling analysis of rectangular laminated composite plates with elastically restrained edges. The plate is subjected to biaxial in-plane compression, and the boundary conditions are simulated by employing uniform distribution of linear and rotational springs at all edges. The critical values of buckling loads and corresponding modes are calculated based on classical lamination theory and using the Ritz method. The deflection function is defined based on simple polynomials without any auxiliary function. The verifications of the current study are carried out with available combinations of classic boundary conditions in the literature. Through parametric study with a wide range of spring factors with some classical as well as some not classical boundary conditions, competency of the present model of boundary conditions is proved.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1998.04a
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pp.444-449
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1998
A modal transducer in two-dimensional structure can be implemented by varying the distributed transducer's gain spatially. In this paper, a method based on finite element method is developed for optimizing spatial gain distribution of PVDF transducer to create the modal transducer for specific modes. Using this concept, one can design the modal transducer in two-dimensional structure having arbitrary geometry and boundary conditions. As a practical means for implementing this continuous gain distribution without repoling die PVDF film, the gain distribution is approximated by optimizing gain-weights of interface circuit. The whole spatial area of the PVDF film is divided into several electrode segments and the signals from each segment are properly weighted and summed by interface circuit. This corresponds to the approximation of a continuous function using discrete values. The electrode partition is optimized using the genetic algorithm. Gain-weights are optimized using the simplex search method. A modal sensor for first to fourth modes of aluminum plate is designed using PVDF film with gain-weighted interface circuit. Various lamination angles of PVDF film are taken into consideration to utilize the anisotropy of the PVDF film. Performance of the optimized' PVDF sensor is demonstrated by numerical simulations..
Park, Il-Ju;Jung, Sung-Nam;Kim, Do-Hyung;Yun, Chul-Yong
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.10
no.2
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pp.77-85
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2009
A two-dimensional cross-section analysis program based on the finite element method has been developed for composite blades with arbitrary cross-section profiles and material distributions. The modulus weighted approach is used to take into account the non-homogeneous material characteristics of advanced blades. The CLPT (Classical Lamination Plate Theory) is applied to obtain the effective moduli of the composite laminate. The location of shear center for any given cross-sections are determined according to the Trefftz' definition while the torsion constants are obtained using the St. Venant torsion theory. A series of benchmark examples for beams with various cross-sections are illustrated to show the accuracy of the developed cross-section analysis program. The cross section cases include thin-walled C-channel, I-beam, single-cell box, NACA0012 airfoil, and KARI small-scale blades. Overall, a reasonable correlation is obtained in comparison with experiments or finite element analysis results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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