A novel, 6-node, two-dimensional mixed finite element (FE) model has been developed to analyze laminated composite beams by using the minimum potential energy principle. The model has been formulated by considering four degrees of freedom (two displacement components u, w and two transverse stress components ${\sigma}_z$, $\tau_{xz}$) per node. The transverse stress components have been invoked as nodal degrees of freedom by using the fundamental elasticity equations. Thus, the present mixed finite element model not only ensures the continuity of transverse stress and displacement fields through the thickness of the laminated beams but also maintains the fundamental elasticity relationship between the components of stress, strain and displacement fields throughout the elastic continuum. This is an important feature of the present formulation, which has not been observed in various mixed formulations available in the literature. Results obtained from the model have been shown to be in excellent agreement with the elasticity solutions for thin as well as thick laminated composite beams. A few results for a cross-ply beam under fixed support conditions are also presented.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.7
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pp.1324-1331
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2002
Densification behavior of composite powders was investigated during cold compaction. Experimental data were obtained for aluminum alloy powder mixed with zirconia powder inclusion under triaxial compression. The Cap model with constraint factors was implemented into a finite element program (ABAQUS) to simulate compaction responses of composite powders during cold compaction. Finite element results were compared with experimental data for densification behavior of composite powders under cold isostatic pressing and die compaction. The agreements between experimental data and finite element calculations from the Cap model with constraint factors were good.
In this paper presents bending characteristic of single wall carbon nanotube reinforced functionally graded composite (SWCNTRC-FG) plates. The finite element implementation of bending analysis of laminated composite plate via well-established higher order shear deformation theory (HSDT). A seven degree of freedom and $C^0$ continuity finite element model using eight noded isoperimetric elements is developed for precise computation of deflection and stresses of SWCNTRC plate subjected to sinusoidal transverse load. The finite element implementation is carried out through a finite element code developed in MATLAB. The results obtained by present approach are compared with the results available in the literatures. The effective material properties of the laminated SWCNTRC plate are used by Mori-Tanaka method. Numerical results have been obtained with different parameters, width-to-thickness ratio (a/h), stress distribution profile along thickness direction, different SWCNTRC-FG plate, boundary condition, through the thickness (z/h) ratio, volume fraction of SWCNT.
This paper is concerned with free vibration characteristics and natural frequency of horizontally curved composite plate girder bridges. Three-dimensional finite element models are developed for the girders using the software package LUSAS and analyses carried out on the models. The validity of the finite element models is first established through comparison with the corresponding results published by other researchers. Studies are then carried out to investigate the effects of total number of girders, number of cross-frames and curvature on the free vibration response of horizontally curved composite plate girder bridges. The results confirm the fact that bending modes are always coupled with torsional modes for horizontally curved bridge girder systems. The results show that the first bending mode is influenced by composite action between the concrete deck and steel beam at low subtended angle but, on the girders with larger subtended angle at the centre of curvature such influence is non-existence. The increase in the number of girders results in higher natural frequency but at a decreasing rate. The in-plane modes viz. longitudinal and arching modes are significantly influenced by composite action and number of girders. If no composite action is taken into account the number of girders has no significant effect for the in-plane modes.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.163-167
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2001
A two-dimensional progressive failure analysis method is presented for the strength characterization of the composite joints under pin loading. The eight-nodes laminated she]1 element is utilized based on the updated Lagrangian formulation. The criteria by Yamada-Sun, Tsai-Wu, and the maximum stress are used for the failure estimation. The stiffness of failed layer is degraded by the complete unloading method. No factor depending on test is included in the finite element analysis except for the material strength and stiffness. Total 20 plate specimens with and without hole are tested to validate the finite element prediction. The Tsai-Wu failure criterion most conservatively estimates the strength of laminate, and the maximum stress criterion yields the highest strength because it does not consider the coupling of the failure modes. The strength by Yamada-Sun method neglecting the matrix failure effect are located between other two methods and shows best agreement with test result for laminate with hole.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.05a
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pp.9-12
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2002
A parametric study has been conducted to investigate the effect of the geometry on the strength of an unidirectional and fabric hybrid laminated composite joint. Tests are conducted for the specimens with nine different edge-to-hole diameter or width-to-hole diameter ratios. For the finite element analysis, the characteristic length method is used, and the tests for determining the characteristic length are performed additionally. Nonlinear contact problem between the pin and laminate is modeled by the gap element in MSC/NASTRAN. Tsai-Wu failure criteria is applied to the stress on the characteristic curve. The finite element and experimental results shows good agreement in strength of composite joint. Results of the parametric study shows the effect of the geometry is remarkable in the specimens with width-to-hole diameter ratio less than 2.8 and edge-to-hole diameter ratio less than 1.4.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.10a
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pp.191-194
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2001
A partially coupled thermo-piezoelectric-mechanical triangular finite element model of composite laminates with surface bonded piezoelectric actuators, subjected to externally applied mechanical load, temperature change load, electric field load is developed. The governing differential equations are obtained by applying the principle of free energy and variational techniques. A higher order zigzag theory displacement field is employed to accurately capture the transverse shear and normal effects in laminated composite plates of arbitrary thickness. Nonconforming shape functions by Specht are employed in the transverse displacement variables. Numerical examples demonstrate the accuracy and efficiency of the proposed triangular plate element.
The super convergent laminated composite beam element is newly derived for the lateral stability analysis. For this, a theoretical model of the laminated composite beams is developed based on the first-order shear deformation beam theory. The present laminated beam takes into account the transverse shear and the restrained warping induced shear deformation. The second-order coupling torque resulting from the geometric nonlinearity is rigorously derived. From the principle of minimum total potential energy, the stability equations and force-displacement relationships are derived and the explicit expressions for the displacement parameters are presented by applying the power series expansions of displacement components to simultaneous ordinary differential equations. Finally, the member stiffness matrix is determined using the force-displacement relationships. In order to show accuracy and superiority of the beam element developed by this study, the critical lateral buckling moments for bisymmetric and monosymmetric I-beams are presented and compared with other results available in the literature, the isoparametric beam elements, and shell elements from ABAQUS.
To analyze laminated composite and sandwich beams under temperature loads, a $C^0$-type Reddy's beam theory considering transverse normal strain is proposed in this paper. Although transverse normal strain is taken into account, the number of unknowns is not increased. Moreover, the first derivatives of transverse displacement have been taken out from the in-plane displacement fields, so that the $C^0$ interpolation functions are only required for the finite element implementation. Based on the proposed model, a three-node beam element is presented for analysis of thermal responses. Numerical results show that the proposed model can accurately and efficiently analyze the thermoelastic problems of laminated composites.
Steel-concrete-steel (SCS) sandwich composite wall has been proposed for building and offshore constructions. An ultra-lightweight cement composite with density1380 kg/m3 and compressive strength up to 60 MPa is used as core material and inter-locking J-hook connectors are welded on the steel face plates to achieve the composite action. This paper presents the numerical models using nonlinear finite element analysis to investigate the load displacement behavior of SCS sandwich walls subjected to axial compression. The results obtained from finite element analysis are verified against the test results to establish its accuracy in predicting load-displacement curves, maximum resistance and failure modes of the sandwich walls. The studies show that the inter-locking J-hook connectors are subjected to tension force due to the lateral expansion of cement composite core under compression. This signifies the important role of the interlocking effect of J-hook connectors in preventing tensile separation of the steel face plates so that the local buckling of steel face plates is prevented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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