Nonlinear vibration characteristics of composite laminated trapezoidal plates are studied. The geometric nonlinearity of the plate based on the von Karman's large deformation theory is considered, and the finite element method (FEM) is proposed for the present nonlinear modeling. Hamilton's principle is used to establish the equation of motion of every element, and through assembling entire elements of the trapezoidal plate, the equation of motion of the composite laminated trapezoidal plate is established. The nonlinear static property and nonlinear vibration frequency ratios of the composite laminated rectangular plate are analyzed to verify the validity and correctness of the present methodology by comparing with the results published in the open literatures. Moreover, the effects of the ply angle and the length-high ratio on the nonlinear vibration frequency ratios of the composite laminated trapezoidal plates are discussed, and the frequency-response curves are analyzed for the different ply angles and harmonic excitation forces.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.4
s.247
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pp.409-419
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2006
The actuating performance of plate-type unimorph piezoelectric composite actuators having various stacking sequences was evaluated by three dimensional finite element analysis on the basis of thermal analogy model. Thermal residual stress distribution at each layer in an asymmetrically laminated plate with PZT ceramic layer and thermally induced dome height were predicted using classical laminated plate theory. Thermal analogy model was applied to a bimorph cantilever beam and LIPCA-C2 actuator in order to confirm its validity. Finite element analysis considering thermal residual deformation showed that the bending behavior of piezoelectric composite actuator subjected to electric loads was significantly different according to the stacking sequence, thickness of constituent PZT ceramic and boundary conditions. In particular, the increase of thickness of PZT ceramic led to the increase of the bending stiffness of piezoelectric composite actuator but it did not always lead to the decrease of actuation distance according to the stacking sequences of piezoelectric composite actuator. Therefore, it is noted that the actuating performance of unimorph piezoelectric composite actuator is rather affected by bending stiffness than actuation distance.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.4
no.4
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pp.15-21
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2013
This study carried out finite element deflection analysis of cylindrical shell structures made of composite materials, which is based on the micro-mechanical approach for different fiber-volume fractions. The finite element (FE) models for composite structures using multi-scale approaches described in this paper is attractive not only because it shows excellent accuracy in analysis but also it shows the effect of the material combination. New results reported in this paper are focused on the significant effects of the fiber-volume fraction for various parameters, such as fiber angles, layup sequences, and length-thickness ratios. It may be concluded from this study that the combination effect of fiber and matrix, largely governing the dynamic characteristics of composite shell structures, should not be neglected and thus the optimal combination could be used to design such civil structures for better dynamic performance.
A new enthalpy - based procedure for the homogenization of the electromechanical material parameters of composite piezoelectric modules with integrated electrodes is presented. It is based on a finite element (FE) modeling of the latter's representative volume element (RVE). In contrast to most previously published homogenization approaches that are based on averaged quantities, the presented method uses a direct evaluation of the electromechanical enthalpy. Hence, for the linear orthotropic piezoelectric composite behavior full set of elastic, piezoelectric, and dielectric material parameters, 17 load cases (LC) are used where each load case leads directly to one material parameter. This gives the possibility to elaborate a very strict and easy to program processing. In conjunction with the 17 LC, the enthalpy - based homogenization is particularly suitable for laminated composite piezoelectric modules with integrated electrodes. In this case, the electric load has to be given at the electrodes rather than at the RVE FE model boundaries. The proposed procedure is validated through its comparison to literature available results on a classical 1-3 piezoelectric micro fiber (longitudinally polarized) reinforced composite and a $d_{15}$ shear piezoelectric macro-fiber (transversely polarized) composite module.
Reliability analysis of composite structures considering random variation of involved parameters is quite important as composite materials revealed large statistical variations in their mechanical properties. The reliability analysis of such structures by the first order reliability method (FORM) and Monte Carlo Simulation (MCS) based approach involves repetitive evaluations of performance function. The response surface method (RSM) based metamodeling technique has emerged as an effective solution to such problems. In the application of metamodeling for uncertainty quantification and reliability analysis of composite structures; the finite element model is usually formulated by either classical laminate theory or first order shear deformation theory. But such theories show significant error in calculating the structural responses of composite structures. The present study attempted to apply the RSM based MCS for reliability analysis of composite shell structures where the surrogate model is constructed using higher order shear deformation theory (HSDT) of composite structures considering the uncertainties in the material properties, load, ply thickness and radius of curvature of the shell structure. The sensitivity of responses of the shell is also obtained by RSM and finite element method based direct approach to elucidate the advantages of RSM for response sensitivity analysis. The reliability results obtained by the proposed RSM based MCS and FORM are compared with the accurate reliability analysis results obtained by the direct MCS by considering two numerical examples.
This research presents an advanced finite element formulation for analyzing the vibratory behaviour of tapered composite shaft rotors, taking into account the impact of the draft angle on the stiffness of the composite shaft laminate. The vibration response of the shaft rotating around its axis is studied using both the finite element hierarchical method and the classical finite element formulation, based on the theory of transverse shear deformation, rotary inertia, gyroscopic effect, and coupling effect due to the stratification of the composite layers of the shaft. The study also includes the development of a program to calculate the Eigen frequencies and critical speeds of the system, and the obtained results are compared with those available in the literature. This research provides valuable insights into the vibratory behaviour of tapered composite shaft rotors and can be useful for designing and optimizing such structures in various industrial applications.
A $C^{\circ}$ continuous finite element formulation of a higher order displacement theory is presented for predicting linear and geometrically non-linear in the sense of von Karman transient responses of composite and sandwich plates. The displacement model accounts for non-linear cubic variation of tangential displacement components through the thickness of the laminate and the theory requires no shear correction coefficients. In the time domain, the explicit central difference integrator is used in conjunction with the special mass matrix diagonalization scheme which conserves the total mass of the element and included effects due to rotary inertia terms. The parametric effects of the time step, finite element mesh, lamination scheme and orthotropy on the linear and geometrically non-linear responses are investigated. Numerical results for central transverse deflection, stresses and stress resultants are presented for square/rectangular composite and sandwich plates under various boundary conditions and loadings and these are compared with the results from other sources. Some new results are also tabulated for future reference.
In this article, frequency characteristics, and sensitivity analysis of a size-dependent laminated composite cylindrical nanoshell under bi-directional thermal loading using Nonlocal Strain-stress Gradient Theory (NSGT) are presented. The governing equations of the laminated composite cylindrical nanoshell in thermal environment are developed using Hamilton's principle. The thermodynamic equations of the laminated cylindrical nanoshell are obtained using First-order Shear Deformation Theory (FSDT) and Fourier-expansion based Generalized Differential Quadrature element Method (FGDQM) is implemented to solve these equations and obtain natural frequency and critical temperature of the presented model. The novelty of the current study is to consider the effects of bi-directional temperature loading and sensitivity parameter on the critical temperature and frequency characteristics of the laminated composite nanostructure. Apart from semi-numerical solution, a finite element model was presented using the finite element package to simulate the response of the laminated cylindrical shell. The results created from finite element simulation illustrates a close agreement with the semi-numerical method results. Finally, the influences of temperature difference, ply angle, length scale and nonlocal parameters on the critical temperature, sensitivity, and frequency of the laminated composite nanostructure are investigated, in details.
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