Kim, Sung-Kyun;Lee, Kune-Woo;Moon, Jei-Kwon;Choi, Jong-Woon;Kim, Young-Jun;Park, Sang-Yun;Song, Oh-Seop
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.21
no.6
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pp.536-545
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2011
Structural model of laminated composite plates based on the first order shear deformable plate theory and subjected to a combination of magnetic and thermal fields is developed. Coupled equations of motion are derived via Hamilton's principle on the basis of electromagnetic equations (Faraday, Ampere, Ohm, and Lorentz equations) and thermal ones which are involved in constitutive equations. In order to reveal the implications of a number of geometrical and physical features of the model, free vibration of a composite plate immersed in a transversal magnetic field and subjected to a temperature gradient is considered. Special coupling effects between the magnetic-thermal-elastic fields are revealed in this paper.
Binita Dash;Trupti R Mahapatra;Punyapriya Mishra;Debadutta Mishra
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.265-281
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2024
The sound radiation responses of multi-layer composite plates subjected to harmonic mechanical excitation in hygrothermal environment is numerically investigated. A homogenized micromechanical finite element (FE) based on the higher-order mid-plane kinematics replicating quadratic function as well as the through the thickness stretching effect together with the indirect boundary element (IBE) scheme has been first time employed. The isoparametric Lagrangian element (ten degrees of freedom per node) is used for discretization to attain the hygro-thermo-elastic natural frequencies and the modes of the plate via Hamilton's principle. The effective material properties under combined hygrothermal loading are considered via a micromechanical model. An IBE method is then implemented to attain structure-surrounding coupling and the Helmholtz wave equation is solved to compute the sound radiation responses. The effectiveness of the model is tested by converging it with the similar analytical/numerical results as well as the experimentally acquired data. The present scheme is further hold out for solving diverse numerical illustrations. The results revealed the relevance of the current higher-order FE-IBE micromechanical model in realistic estimation of hygro-thermo-acoustic responses. The geometrical parameters, volume fraction of fiber, layup, and support conditions alongside the hygrothermal load is found to have significant influence on the vibroacoustic characteristics.
The current paper discusses the dynamic and stability responses of cross-ply composite laminated plates by employing a refined quasi-3D trigonometric shear deformation theory. The proposed theory takes into consideration shear deformation and thickness stretching by a trigonometric variation of in-plane and transverse displacements through the plate thickness and assures the vanished shear stresses conditions on the upper and lower surfaces of the plate. The strong point of the new formulation is that the displacements field contains only 4 unknowns, which is less than the other shear deformation theories. In addition, the present model considers the thickness extension effects (εz≠0). The presence of the Winkler-Pasternak elastic base is included in the mathematical formulation. The Hamilton's principle is utilized in order to derive the four differentials' equations of motion, which are solved via Navier's technique of simply supported structures. The accuracy of the present 3-D theory is demonstrated by comparing fundamental frequencies and critical buckling loads numerical results with those provided using other models available in the open literature.
The elastic waves in a plate are dispersive waves due to the characteristics of Lamb waves. However, S0 symmetric mode is less dispersive in the frequency region below the first cut-off frequency. The wave Propagation velocities vary with the direction in anisotropic plates such as Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) Plates. The wave vector direction and energy flow vector direction are same in isotropic plates. However, the wave vector direction same as the phase velocity direction is not in accordance with the energy flow direction same as the group velocity direction in anisotropic plates. In this study. the dispersion curves or the phase velocity from anti-symmetric and symmetric Lamb wave dispersion equation are calculated for unidirectional laminated composite plate. Slowness surface is sketched using phase velocity under the first cut-off frequency. The direction and magnitude of group velocity are corrected with this slowness surface. The measured group velocities are in good agreement with the corrected group velocity curve except near the fiber direction zone which is called the cusp region.
Exercise of complete control on all aspects of any manufacturing / fabrication process is very difficult, leading to uncertainties in the material properties and geometric dimensions of structural components. This is especially true for laminated composites because of the large number of parameters associated with its fabrication. When the basic parameters like elastic modulus, density and Poisson's ratio are random, the derived response characteristics such as deflections, natural frequencies, buckling loads, stresses and strains are also random, being functions of the basic random system parameters. In this study the basic elastic properties of a composite lamina are assumed to be independent random variables. Perturbation formulation is used to model the random parameters assuming the dispersions small compared to the mean values. The system equations are analyzed to obtain the mean and the variance of the plate natural frequencies. Several application problems of free vibration analysis of composite plates, employing the proposed method are discussed. The analysis indicates that, at times it may be important to include the effect of randomness in material properties of composite laminates.
For the first time, an accurate analytical solution, based on coupled three-dimensional (3D) piezoelasticity equations, is presented for free vibration analysis of the angle-ply elastic and piezoelectric flat laminated panels under arbitrary boundary conditions. The present analytical solution is applicable to composite, sandwich and hybrid panels having arbitrary angle-ply lay-up, material properties, and boundary conditions. The modified Hamiltons principle approach has been applied to derive the weak form of governing equations where stresses, displacements, electric potential, and electric displacement field variables are considered as primary variables. Thereafter, multi-term multi-field extended Kantorovich approach (MMEKM) is employed to transform the governing equation into two sets of algebraic-ordinary differential equations (ODEs), one along in-plane (x) and other along the thickness (z) direction, respectively. These ODEs are solved in closed-form manner, which ensures the same order of accuracy for all the variables (stresses, displacements, and electric variables) by satisfying the boundary and continuity equations in exact manners. A robust algorithm is developed for extracting the natural frequencies and mode shapes. The numerical results are reported for various configurations such as elastic panels, sandwich panels and piezoelectric panels under different sets of boundary conditions. The effect of ply-angle and thickness to span ratio (s) on the dynamic behavior of the panels are also investigated. The presented 3D analytical solution will be helpful in the assessment of various 1D theories and numerical methods.
Considering the randomness of material parameters in the laminated composite plate, a scheme of stochastic finite element method to analyze the displacement response variability is suggested. In the formulation we adopted the concept of the weighted integral where the random variable is defined as integration of stochastic field function multiplied by a deterministic function over a finite element. In general the elastic modulus of composite materials has distinct value along an individual axis. Accordingly, we need to assume 5 material parameters as random. The correlations between these random parameters are modeled by means of correlation functions, and the degree of correlation is defined in terms of correlation coefficients. For the verification of the proposed scheme, we employ an independent analysis of Monte Carlo simulation with which statistical results can be obtained. Comparison is made between the proposed scheme and Monte Carlo simulation.
Lee Jeong-kI;Kim Young H.;Lee Seung Suk;Kim Ho Chul
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2004.10a
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pp.272-277
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2004
The elastic waves in the plate are dispersive waves with the characteristics of Lamb waves. However, $S_0$ symmetric mode is less dispersive in the frequency region less than first cut-off frequency. And, in anisotropic plates such as CFRP plates, the propagation velocities vary with the direction. So, the wave vector direction to be the phase velocity direction is not accord with the energy flow direction to be the group velocity direction. In this work, the group velocities of the $S_0$ symmetric mode less than the first cut-off frequency was analyzed with the group velocity dispersion curves in unidirectional CFRP plate. And, the group velocity curve obtained by the group velocity dispersion curves are compared with the measured velocities as varied the propagation direction of the Lamb wave. The measured velocities are good agreement with the corrected group velocity curve except near the fiber direction which is called the cusp region. When the propagation direction is not accorded with the principal axis, the direction of the group velocities declines to the fiber direction in the unidirectional CFRP plates. This implies that the energy propagates preferentially toward fiber direction.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.12
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pp.2306-2314
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1992
Using the Lagrangian equation, nonlinear vibration analysis of laminated hybrid composite plates is carried out. The effects of stacking sequences, aspect ratios, number of modes, number of layers and various elastic properties on nonlinear vibration are investigated. The presence of bending-extension coupling in antisymmetric plates yields a second power term in addition to a cubic nonlinear term in governing differential equation of motion. In the other symmetric case, this second term vanishes. The fundamental frequency of analytic results are compared with that of ABAQUS FEM analysis. For nonlinear vibration of antisymmetric unimaterial plate, the result of reference is presented for comparison with this result.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.4
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pp.293-300
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2012
In this study, the delamination analysis has been implemented to investigate the initiation and propagation of crack in composite laminates composed of orthotropic materials. A simple modeling was achieved by moving nodal technique without re-meshing work when crack propagation occurred. This paper aims at achieving two specific objectives. The first is to suggest a very simple modeling scheme compared with those applied to conventional h-FEM based models. To verify the performance of the proposed model, analysis of double cantilever beams with composite materials was implemented and then the results were compared with reference values in literatures. The second one is to investigate the behavior of interior delamination problems using the proposed model. To complete these objectives, the full-discrete-layer model based on Lobatto shape functions was considered and energy release rates were calculated using three-dimensional VCCT(virtual crack closure technique) based on linear elastic fracture mechanics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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