This research is devoted to investigate the bending and free vibration behaviour of laminated composite/sandwich plates and shells, by applying an analytical model based on a generalized and simple refined higher-order shear deformation theory (RHSDT) with four independent unknown variables. The kinematics of the proposed theoretical model is defined by an undetermined integral component and uses the hyperbolic shape function to include the effects of the transverse shear stresses through the plate/shell thickness; hence a shear correction factor is not required. The governing differential equations and associated boundary conditions are derived by employing the principle of virtual work and solved via Navier-type analytical procedure. To verify the validity and applicability of the present refined theory, some numerical results related to displacements, stresses and fundamental frequencies of simply supported laminated composite/sandwich plates and shells are presented and compared with those obtained by other shear deformation models considered in this paper. From the analysis, it can be concluded that the kinematics based on the undetermined integral component is very efficient, and its use leads to reach higher accuracy than conventional models in the study of laminated plates and shells.
Park, Sang-Yun;Kang, Sunghwan;Seo, Jung Seok;Song, Ohseop
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.23
no.9
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pp.797-805
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2013
In this paper vibration and stability analysis of laminated composite shells based on the first order shear deformation theory(FSDT) for two different boundary conditions(clamped-clamped, simply supported) are performed. Structural model of cross-ply symmetric laminated composite cylindrical shells subjected to a combination of magnetic and thermal fields is developed via Hamilton's variational principle. These coupled equations of motion are based on the electromagnetic equations(Faraday, Ampere, Ohm, and Lorenz equations)and thermal equations which are involved in constitutive equations. Extended Galerkin method is adopted to obtain the discretized equations of motion. Variations of dynamic characteristics of composite shells with applied magnetic field, temperature gradient, laminate thickness-ratio and radius ratio for two boundary conditions are investigated and pertinent conclusions are derived.
Shell structures have become critical in the design of pressure vessels, submarine hulls, ship hulls, airplane structures, concrete roofs, containers for liquids, and many other structures. This study presented the feature of the free vibration of anisotropic laminated conical shells according to transverse shear deformation effects. Composite materials are composed of two or more different materials in order to produce desirable properties for structural strength. Since their behavior is very complex, it is almost impossible to solve the analytical solutions. This effects of subtended and vertex angles and other geometric parameters on vibration were investigated in a comprehensive parametric study. Selected vibration mode shapes were illustrated, to enable the physical understanding of vibration of laminated composite conical shells.
The subject of this investigation is to study the buckling of cross-ply laminated orthotropic cylindrical thin shells with variable elasticity moduli and densities in the thickness direction, under external pressure, which is a power function of time. The dynamic stability and compatibility equations are obtained first. These equations are subsequently reduced to a system of time dependent differential equations with variable coefficients by using Galerkin's method. Finally, the critical dynamic and static loads, the corresponding wave numbers, the dynamic factors, critical time and critical impulse are found analytically by applying a modified form of the Ritz type variational method. The dynamic behavior of cross-ply laminated cylindrical shells is investigated with: a) lamina that present variations in the elasticity moduli and densities, b) different numbers and ordering of layers, and c) external pressures which vary with different powers of time. It is concluded that all these factors contribute to appreciable effects on the critical parameters of the problem in question.
The objective of this paper is to extend the use of the improved degenerated shell element to the linear and the large displacement analysis of plates and shells with laminated composites. In the formulation of the element stiffness, the combined use of three different techniques was made. This element is free of serious shear/membrane locking problems and undesirable compatible/commutable spurious kinematic deformation modes. The total Lagrangian approach has been utilized for the definition of the deformation and the solution to the nonlinear equilibrium equations is obtained by the Newton-Raphson method. The applicability and accuracy of this improved degenerated shell element in the analysis of laminated composite plates and shells are demonstrated by solving several numerical examples.
Laminated composite shells are commonly used in various engineering applications including aerospace and marine structures. In this paper, using semi-analytical finite strip method, the buckling behavior of laminated composite deep as well as thick shells of revolution under follower forces which remain normal to the shell is investigated. The stiffness caused by pressure is calculated for the follower forces subjected to external fibers in thick shells. The shell is divided into several closed strips with alignment of their nodal lines in the circumferential direction. The governing equations are derived based on first-order shear deformation theory which accounts for through thickness-shear flexibility. Displacements and rotations in the middle surface of shell are approximated by combining polynomial functions in the meridional direction as well as truncated Fourier series with an appropriate number of harmonic terms in the circumferential direction. The load stiffness matrix which accounts for variation of loads direction will be derived for each strip of the shell. Assembling of these matrices results in global load stiffness matrix which may be un-symmetric. Upon forming linear elastic stiffness matrix called constitutive stiffness matrix, geometric stiffness matrix and load stiffness matrix, the required elements for the second step analysis which is an eigenvalue problem are provided. In this study, different parameter effects are investigated including shell geometry, material properties, and different boundary conditions. Afterwards, the outcomes are compared with other researches. By considering the results of this article, it can be concluded that the deformation-dependent pressure assumption can entail to decrease the calculated buckling load in shells. This characteristic is studied for different examples.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.7
no.6
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pp.12-18
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1998
The optimal design for stiffened laminate composite cylindrical shells under combined loads is studied by a nonlinear mathematical search algorithm. The optimal design is accomplished with the CONMIN. several types of buckling modes with maximum allowable stresses and strains are included as constraints in the optimal design process, such as general buckling, panel buckling with either stringers or rings smeared out, local skin buckling, local crippling of stiffener segments. Rectangular or T type stringers and rectangular rings are used for stiffened laminate composite cylindrical shells.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.3
no.2
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pp.1-10
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2012
In the present study, an Element-Based Lagrangian Formulation for the nonlinear analysis of shell structures is presented. The strains, stresses and constitutive equations based on the natural co-ordinate have been used throughout the Element-Based Lagrangian Formulation of the present shell element which offers an advantage of easy implementation compared with the traditional Lagrangian Formulation. The Element-Based Lagrangian Formulation of a 9-node resultant-stress shell element is presented for the anisotropic composite material. The element is free of both membrane and shear locking behavior by using the assumed natural strain method such that the element performs very well in thin shell problems. The arc-length control method is used to trace complex equilibrium paths in thin shell applications. Numerical examples for laminated composite curved shells presented herein clearly show the validity of the present approach and the accuracy of the developed shell element.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.229-236
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2004
A new three-node triangular shell element based on higher order zig-zag theory is developed for laminated composite shells with multiple delaminations. The present higher order zig-zag shell theory is described in a general curvilinear coordinate system and in general tensor notation. All the complicated curvatures of surface including twisting curvatures can be described in an exact manner in the present shell element because this element is based on geometrically exact surface representation. The displacement field of the proposed finite element includes slope of deflection. which requires continuity between element interfaces. Thus the nonconforming shape function of Specht's three-node triangular plate bending element is employed to interpolate out-of-plane displacement. The present element passes the bending and twisting patch tests in flat surface configurations. The developed element is evaluated through the buckling problems of composite cylindrical shells with multiple delaminations. Through the numerical examples it is demonstrated that the proposed shell element is efficient because it has minimal degrees of freedom per node. The accuracy of the present element is demonstrated in the prediction of buckling loads and buckling modes of shells with multiple delaminations. The present shell element should serve as a powerful tool in the prediction of buckling loads and modes of multi-layered thick laminated shell structures with arbitrary-shaped multiple delaminations.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.10
no.6
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pp.929-936
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1986
Free vibration characteristics of laminated orthotropic circular cylindrical shells with clamped free boundary condition are investigated. The solution is obtained through a direct solution procedure with axial mode displacements represented as simple Fourier series expressions. On the basis of the thin shell theories of Sanders, Love, Loo, Morley and Donnell, the 4*$ frequency determinant is derived and is expressed in a unified form. Various numerical examples determining the natural frequencies of circular cylindrical shells with isotropic material and also with layers of orthotropic elastic material arbitraily laminated either symmetrically or anti-symmetrically about the shell middle surface. The results obtained compared very well with some available experimental and numerical results.
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