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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.1
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pp.65-76
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1994
A higher-oder laminated plate theory including the effect of transverse shear deformation is developed to calculate the gross response and the detailed stress distribution. The theory satisfies the continuity condition of transverse shear stress, and accounts for parabolic variation of the transverse shear stresses through the thickness of each layer. Exact closed-ply laminates are obtained and the results are compared with three-dimensional elasticity solutions and a simple higher-order theory solutions. The results of the present work exhibit acceptable accuracy when compared to the three-dimensional elasticity solutions.
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.
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 higer 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. This is accomplished by using a stress recovery technique using the in-plane stresses. The results compared with previous investigations showed good agreement. It can be seen that this method of analyzing impact problems is more efficient than current three dimensional methods in terms of time and expense.
Free vibration of cross-ply laminated plates using a higher-order shear deformation theory is studied. The arbitrary number of layers is oriented in symmetric and anti-symmetric manners. The plate kinematics are based on higher-order shear deformation theory (HSDT) and the vibrational behaviour of multi-layered plates are analysed under simply supported boundary conditions. The differential equations are obtained in terms of displacement and rotational functions by substituting the stress-strain relations and strain-displacement relations in the governing equations and separable method is adopted for these functions to get a set of ordinary differential equations in term of single variable, which are coupled. These displacement and rotational functions are approximated using cubic and quantic splines which results in to the system of algebraic equations with unknown spline coefficients. Incurring the boundary conditions with the algebraic equations, a generalized eigen value problem is obtained. This eigen value problem is solved numerically to find the eigen frequency parameter and associated eigenvectors which are the spline coefficients.The material properties of Kevlar-49/epoxy, Graphite/Epoxy and E-glass epoxy are used to show the parametric effects of the plates aspect ratio, side-to-thickness ratio, stacking sequence, number of lamina and ply orientations on the frequency parameter of the plate. The current results are verified with those results obtained in the previous work and the new results are presented in tables and graphs.
Kakimpa, B.;Hargreaves, D.M.;Owen, J.S.;Martinez-Vazquez, P.;Baker, C.J.;Sterling, M.;Quinn, A.D.
Wind and Structures
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v.13
no.2
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pp.169-189
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2010
This paper describes the use of coupled Computational Fluid Dynamics (CFD) and Rigid Body Dynamics (RBD) in modelling the aerodynamic behaviour of wind-borne plate type objects. Unsteady 2D and 3D Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) CFD models are used to simulate the unsteady and non-uniform flow field surrounding static, forced rotating, auto-rotating and free-flying plates. The auto-rotation phenomenon itself is strongly influenced by vortex shedding, and the realisable k-epsilon turbulence modelling approach is used, with a second order implicit time advancement scheme and equal or higher order advection schemes for the flow variables. Sequentially coupling the CFD code with a RBD solver allows a more detailed modelling of the Fluid-Structure Interaction (FSI) behaviour of the plate and how this influences plate motion. The results are compared against wind tunnel experiments on auto-rotating plates and an existing 3D analytical model.
Lal, Achchhe;Jagtap, Kirankumar R.;Singh, Birgu N.
Advances in Computational Design
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v.2
no.3
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pp.165-194
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2017
The present work proposes the thermo mechanically induced statistics of nonlinear transverse central deflection of elastically supported functionally graded (FG) plate subjected to static loadings with random system properties. The FG plate is supported on two parameters Pasternak foundation with Winkler cubic nonlinearity. The random system properties such as material properties of FG material, external loading and foundation parameters are assumed as uncorrelated random variables. The material properties are assumed as non-uniform temperature distribution with temperature dependent (TD) material properties. The basic formulation for static is based on higher order shear deformation theory (HSDT) with von-Karman nonlinear strain kinematics through Newton-Raphson method. A second order perturbation technique (SOPT) and direct Monte Carlo simulation (MCS) are used to compute the nonlinear governing equation. The effects of load parameters, plate thickness ratios, aspect ratios, volume fraction, exponent, foundation parameters, and boundary conditions with random system properties are examined through parametric studies. The results of present approaches are compared with those results available in the literature and by employing direct Monte Carlo simulation (MCS).
Several classical and higher order plate theories were used to study the buckling of functionally graded material (FGM) plates. In the great majority of research, a power function is used to represent metal and ceramic material transverse distribution (P-FGM). Therefore, the effect of having other transverse variation of material properties on the buckling behavior of thick rectangular FGM plates was not properly addressed. In the present work, this effect is investigated using the Third order Shear Deformable Theory (TSDT) for the case of simply supported FGM plate. Both a sigmoid function and an exponential functions are used to represent the transverse gradual property variation. The plate governing equations are combined with a Navier type expanded solution of the unknown displacements to derive the buckling equation in terms of the pre-buckling in-plane loads. Finally, the critical in-plane load is calculated for the different buckling modes. The model is verified by a comparison of the calculated buckling loads with available published results of Al-SiC P-FGM plates. The conducted parametric study shows that manufacturing FGM plates with sigmoid variation of properties in the thickness direction increases the buckling load considerably. This improvement is found to be more significant for the case of thick plates than that of thin plates. Results also show that this stiffening-like effect of the sigmoid function profile is more evident for cases where the in-plane loads are applied along the shorter edge of the plate.
Locking phenomenon is a mesh problem and can be staved off with mesh refinement. If the studier is not preferred going to the solution with increasing mesh size or the computer memory can stack over flow than using higher order plate finite element or using integration techniques is a solution for this problem. The purpose of this paper is to show the shear locking phenomenon can be avoided by increase low order finite element mesh size of the plates and to study shear locking-free analysis of thick plates using Mindlin's theory by using higher order displacement shape function and to determine the effects of various parameters such as the thickness/span ratio, mesh size on the linear responses of thick plates subjected to uniformly distributed loads. 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, 4-, 8- and 17-noded quadrilateral finite elements are used. It is concluded that 17-noded finite element converges to exact results much faster than 8-noded finite element, and that it is better to use 17-noded finite element for shear-locking free analysis of plates.
This article deals with the dynamic analysis in pad concrete foundation containing Silica nanoparticles (SiO2) subject to seismic load. In order to control the foundation smartly, a piezoelectric layer covered the foundation. The weight of the building by a column on the foundation is assumed with an external force in the middle of the structure. The foundation is located in soil medium which is modeled by spring elements. The Mori-Tanaka law is utilized for calculating the equivalent mechanical characteristics of the concrete foundation. The Kevin-Voigt model is adopted to take into account the structural damping. The concrete structure is modeled by a thick plate and the governing equations are deduced using Hamilton's principle under the assumption of higher-order shear deformation theory (HSDT). The differential quadrature method (DQM) and the Newmark method are applied to obtain the seismic response. The effects of the applied voltage to the smart layer, agglomeration and volume percent of SiO2 nanoparticles, damping of the structure, geometrical parameters and soil medium of the structure are assessed on the dynamic response. It has been demonstrated by the numerical results that by applying a negative voltage, the dynamic deflection is reduced significantly. Moreover, silica nanoparticles reduce the dynamic deflection of the concrete foundation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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