In this study, we present a new efficient hybrid-mixed composite laminated curved beam element. The present element, which is based on the Hellinger-Reissner variational principle and the first-order shear deformation lamination theory, employs consistent stress parameters corresponding to cubic displacement polynomials with additional nodeless degrees in order to resolve the numerical difficulties due to the spurious constraints. The stress parameters are eliminated and the nodeless degrees are condensed out to obtain the ($6{\times}6$) element stiffness matrix. The present study also incorporates the straightforward prediction of interlaminar stresses from equilibrium equations. Several numerical examples confirm the superior behavior of the present composite laminated curved beam element.
Daouadji, Tahar Hassaine;Hadji, Lazreg;Meziane, Mohamed Ait Amar;Bekki, Hadj
Structural Engineering and Mechanics
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v.59
no.1
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pp.83-100
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2016
In this paper, the problem of interfacial stresses in steel beams strengthened with a fiber reinforced polymer plates is analyzed using linear elastic theory. The analysis is based on the deformation compatibility approach developed by Tounsi (2006) where both the shear and normal stresses are assumed to be invariant across the adhesive layer thickness. The analysis provides efficient calculations for both shear and normal interfacial stresses in steel beams strengthened with composite plates, and accounts for various effects of Poisson's ratio and Young's modulus of adhesive. Such interfacial stresses play a fundamental role in the mechanics of plated beams, because they can produce a sudden and premature failure. The analysis is based on equilibrium and deformations compatibility approach developed by Tounsi (2006). In the present theoretical analysis, the adherend shear deformations are taken into account by assuming a parabolic shear stress through the thickness of both the steel beam and bonded plate. The paper is concluded with a summary and recommendations for the design of the strengthened beam.
The tailoring optimization technique recently developed by the author for improving structural response and energy absorption of composites is extended to sandwich shells using a previously developed zig-zag shell model with hierarchic representation of displacements. The in-plane variation of the stiffness properties of plies and the through-the thickness variation of the core properties are determined solving the Euler-Lagrange equations of an extremal problem in which the strain energy due to out-of-plane strains and stresses is minimised, while that due to their in-plane counterparts is maximised. In this way, the energy stored by unwanted out-of-plane modes involving weak properties is transferred to acceptable in-plane modes. As shown by the numerical applications, the critical interlaminar stress concentrations at the interfaces with the core are consistently reduced without any bending stiffness loss and the strength to debonding of faces from the core is improved. The structural model was recently developed by the author to accurately describe strain energy and interlaminar stresses from the constitutive equations. It a priori fulfills the displacement and stress contact conditions at the interfaces, considers a second order expansion of Lame's coefficients and a hierarchic representation that adapts to the variation of solutions. Its functional d.o.f. are the traditional mid-plane displacements and the shear rotations, so refinement implies no increase of the number of functional d.o.f. Sandwich shells are represented as multilayered shells made of layers with different thickness and material properties, the core being treated as a thick intermediate layer.
Honeycomb sandwich composite(HSC) structures have been widely used in aircraft and military industry owing to their light weight and high stiffness. Mechanical properties of honeycomb core materials are needed for accurate analysis of the sandwich composites. In this study. theoretical formula for effective elastic modulus and Poisson's ratio of honeycomb core materials was established using an energy method considering the bending, axial and shear deformations of honeycomb core walls. Finite-element analysis results obtained by using commercial FEA code, ABAQUS 6.3 were comparable to the theoretical ones. In addition, we performed tensile test of HSC plates and analyzed deformation behaviors and interlaminar stresses through its FEA simulation. An increased shear stress along the interface between surface and honeycomb core layers was shown to be the main reason for interfacial delamination in HSC plate under tensile loading.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.2
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pp.317-326
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1997
An investigation was performed to study the matrix cracking and delamination in laminated composite plates due to transverse impact. A model was developed for predicting the initiation of the matrix cracking and the shape and size of impact-induced delamination in laminated composite plates resulting from the ballistic impact. The model consists of a stress analysis and a failure analysis. A transient finite element analysis which was based on the higher-order shear deformation theory was adopted for calculating the stresses inside the laminated composite plates during impact. A failure analysis was used to predict the initial intraply matrix cracking and the shape and size of the interface delamination in the laminates. As a results, a shear matrix cracking which was governed by the transverse interlaminar shear stress occured at the middle layer near the midplane of laminates and a bending matrix cracking which was governed by the transverse inplane stress occured at the bottom layer near the surface of laminates. In a thick laminates, a shear matrix cracking generated first at the middle layer of laminates, but in a thin laminates, a bending matrix cracking generated first at the bottom layer of laminates.
Prediction of damage caused by low-velocity impact in laminated composite plate is an important problem faced by designers using composites. Not only the inplane stresses but also the interlaminar normal and shear stresses playa role in estimating the damage caused. But it is well known that the conventional approach based on the homogenization has the limit in description of damage. The work reported here is an effort in getting better predictions of dynamic behavior and damage in composite plate using DNS approach. In the DNS model, we discretize the composite plates through separate modeling of fiber and matrix for the local microscopic analysis. In the view of microscopic mechanics with DNS model, interlaminar stress behaviors in the inside of composite materials are investigated and compared with the results of the homogenized model which has been used in the conventional approach to impact analysis. Also the multiscale model based on DNS concept is developed in order to enhance the effectiveness of impact analysis, and we present the results of multiscale analysis considering micro and macro structures simultaneously.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.12
no.11
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pp.98-109
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1995
An investigation was performed to study the inner damage of laminated composite plates subjected to out-of-plane load. During the investigation, inpact velocity and equivalent static load relationship was derived. Reddy's higher-order shear deformation theory(HSDT) and Hashin's failure criteria were used to determine inner stresses and damaged area. And impact testing was carried out on laminated composite plates by air gun type impact testing machine. The CFRP specimens were composed of [ .+-. 45 .deg. ]$_{4}$and [ .+-. 45 .deg. /0 .deg. /90 .deg. ]$_{2}$ stacking sequences with 0.75$^{t}$ * 26$^{w}$ * 100$^{l}$ (mm) dimension. After impact testing. As a result, a relationship holds between damaged area and impact energy, and a matrix cracking was caused by the interlaminar shear stress in the middle ply and was caused by the inplane transverse stress in the bottom ply.
This study is aimed to accurately predict the vibration response of two types of functionally graded sandwich plates, one with FGM core and another with FGM face sheets. The gradation in FGM layer is quantified by exponential method. An efficient zig-zag theory is used and the zigzag impacts are established via a linear unit Heaviside step function. The present theory fulfills interlaminar transverse stress continuity at the interface and zero condition at the top and bottom surfaces of the plate for transverse shear stresses. Nine-noded C-0 FE having 8DOF/node is utilized throughout analysis. The present model is free from the obligation of any penalty function or post-processing technique and hence is computationally efficient. Numerical results have been presented on the free vibration behavior of sandwich FGM for different end conditions, lamination schemes and layer orientations. The applicability of present model is confirmed by comparing with published results. Several new results are also specified, which will serve as the benchmark for future studies.
A simplified method for determining the three mode(I, II, III) components of the strain energy release rate of free-edge delaminations in composite laminates is proposed. The interlaminar stresses are evaluated using the interface moment and the interface shear forces which are obtained from the equilibrium equations at the interface between the adjacent layers. Deformation of an edge-delaminated laminate is analysed by using a generalized quasi-three dimensional classical laminated plate theory. The analysis provides closed-form expression for the three components of the strain energy release rate. The analyses are performed for composite laminates subjected to uniaxial tension, with free-edge delaminations located symmetrically and asymmetrically with respect to the laminate midplane. The analysis results agreed with a finite element solution using the virtual crack closure technique.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.3
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pp.423-429
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1997
A simplified method for determining the mode components of the strain energy release rate of free-edge delaminations in laminated composite is proposed. The interlaminar stresses are evaluated as an interface moment and interface shear forces that are obtained from the equilibrium equations at the interface between the adjacent layers. Deformation of an edge-delaminated laminate is calculated by using a generalized quasi-three dimensional classical laminated plate theory developed by the authors. The analysis provides closed-form expression for the three components of the strain energy release rate. Comparison of results with a finite element solution using the virtual crack closure technique shows good agreement. In the present study, laminated composite with stacking sequences of [30/-30/90]$_{s}$ were examined. The simple nature of the method makes it suitable for primary design analysis for the delaminations of laminated composite.e.
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