In this study, a simplified method of improving not only transverse shear stress but also shear strain based on the first-order shear deformation theory was developed. Unlike many established methods, such as the higher-order shear deformation and layerwise theories, this method can easily apply to finite elements as only $C^0$ continuity is necessary and the formulation of equations is very simple. The basic concept in this method, however, must be corrected:the distribution of the transverse shear stresses and shear strains through the thickness from the formulation based on the higher-order shear deformation theory. Therefore, the shear correction factors are no longer required, based on the first-order shear deformation theory. Numerical analyses were conducted to verify the validity of the proposed formulations. The solutions based on the simplified method were in very good agreement with the results considering the higher-order shear deformation theory.
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.
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.
In this paper, a higher order shear and normal deformation theory is presented for functionally graded material (FGM) plates. By dividing the transverse displacement into bending, shear and thickness stretching parts, the number of unknowns and governing equations for the present theory is reduced, significantly facilitating engineering analysis. Indeed, the number of unknown functions involved in the present theory is only five, as opposed to six or even greater numbers in the case of other shear and normal deformation theories. The present theory accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by a hyperbolic variation of ail displacements across the thickness and satisfies the stress-free boundary conditions on the upper and lower surfaces of the plate without requiring any shear correction factor. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions for the bending and free vibration analysis are obtained for simply supported plates. The obtained results are compared with three-dimensional and quasi- three-dimensional solutions and those predicted by other plate theories. It can be concluded that the present theory is not only accurate but also simple in predicting the bending and free vibration responses of functionally graded plates.
A 4-node assumed strain finite element based on higher order shear deformation theory is developed to investigate the behaviours of symmetric and unsymmetric laminated composite plates. The present element is based on Reddy's higher order shear deformation theory so that it can consider the parabolic distribution of shear deformation through plate thickness direction. In particular, assumed strain method is adopted to alleviate the shear locking phenomena inherited plate elements based on higher order shear deformation theory. The present finite element has seven degrees of freedom per node and denoted as HSA4. Numerical examples are carried out for symmetric and unsymmetric laminated composite plate with various thickness values. Numerical results are compared with reference solutions produced by other higher order shear deformation theories.
In a whole variety of higher order plate theories existing in the literature no consideration is given to the transverse normal strain / deformation effects on flexural response when these higher order theories are applied to shear flexible composite plates in view of minimizing the number of unknown variables. The objective of this study is to carry out cylindrical bending of simply supported laminated composite and sandwich plates using sinusoidal shear and normal deformation plate theory. The most important feature of the present theory is that it includes the effects of transverse normal strain/deformation. The displacement field of the presented theory is built upon classical plate theory and uses sine and cosine functions in terms of thickness coordinate to include the effects of shear deformation and transverse normal strain. The theory accounts for realistic variation of the transverse shear stress through the thickness and satisfies the shear stress free conditions at the top and bottom surfaces of the plate without using the problem dependent shear correction factor. Governing equations and boundary conditions of the theory are obtained using the principle of minimum potential energy. The accuracy of the proposed theory is examined for several configurations of laminates under various static loadings. Some problems are presented for the first time in this paper which can become the base for future research. For the comparison purpose, the numerical results are also generated by using higher order shear deformation theory of Reddy, first-order shear deformation plate theory of Mindlin and classical plate theory. The numerical results show that the present theory provides displacements and stresses very accurately as compared to those obtained by using other theories.
Chikr, Sara Chelahi;Kaci, Abdelhakim;Yeghnem, Redha;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.5
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pp.653-673
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2019
This work investigates a novel quasi-3D hyperbolic shear deformation theory is presented to discuss the buckling of new type of sandwich plates. This theory accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by a hyperbolic variation of all displacements through the thickness. The enhancement of this formulation is due to the use of only five unknowns by including undetermined integral terms, contrary to other theories where we find six or more unknowns. It does not require shear correction factors and transverse shear stresses vary parabolically across the thickness. A new type of FGM sandwich plates, namely, both FGM face sheets and FGM hard core are considered. The governing equations and boundary conditions are derived using the principle of virtual displacements. Analytical solutions are obtained for a simply supported plate. The accuracy of the present theory is verified by comparing the obtained results with quasi-3D solutions and those predicted by higher-order shear deformation theories. The comparison studies show that the obtained results are not only more accurate than those obtained by higher-order shear deformation theories, but also comparable with those predicted by quasi-3D theories with a greater number of unknowns.
We apply higher-order beam theory to analyze the deflections and stresses of a cantilevered single leaf flexure in bending. Our equations include shear deformation and the warping effect in bending. The results are compared with Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theory, and are verified by finite element analysis (FEA). The results show that the higher-order beam theory is in a good agreement with the FEA results, with errors of less than 10%. These results indicate that the analysis of the deflections and stresses of a single leaf flexure should consider the shear and warping effects in bending to ensure high precision mechanism design.
In this paper, bending-stretching analysis of thick functionally graded piezoelectric rectangular plates is studied using the higher-order shear and normal deformable plate theory. On the basis of this theory, Legendre polynomials are used for approximating the components of displacement field. Also, the effects of both normal and shear deformations are encountered in the theory. The governing equations are derived using the principle of virtual work and variational approach. It is assumed that plate is made of piezoelectric materials with functionally graded distribution of material properties. Hence, exponential function is used to modify mechanical and electrical properties through the thickness of the plate. Finally, the effect of material properties, electrical boundary conditions and dimensions are investigated on the static response of plate. Also, it is shown that results of the presented model are close to the three dimensional elasticity solutions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.1
s.256
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pp.121-128
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2007
Enhanced lower order shear deformation theory is developed in this study. Generally, lower order theories are not adequate to predict accurate deformation and stress distribution through the thickness of laminated plate. For the accurate prediction of detailed stress and deformation distributions through the thickness, higher order zigzag theories have been proposed. However, in most cases, simplified zigzag higher order theory requires $C_1$, shape functions in finite element implementation. In commercial FE softwares, $C_1$, shape functions are not so common in plate and shell analysis. Thus zigzag theories are useful for the highly accurate prediction of thick composite behaviors but they are not practical in the sense that they cannot be used conveniently in the commercial package. In practice, iso-parametric $C_0$ plate model is the standard model for the analysis and design of composite laminated plates and shells. Thus in the present study, an enhanced lower order shear deformation theory is developed. The proposed theory requires only $C_0$ shape function in FE implementation. The least-squared energy error between the lower order theory and higher order theory is minimized. An enhanced lower order shear deformation theory(ELSDT) in this paper is proposed for smart structure under complex loadings. The ELSDT is constructed by the strain energy transformation and fully coupled mechanical, electric loading cases are studied. In order to obtain accurate prediction, zigzag in-plane displacement and transverse normal deformation are considered in the deformation Held. In the electric behavior, open-circuit condition as well as closed-circuit condition is considered. Through the numerous examples, the accuracy and robustness of present theory are demonstrated.
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