Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.12
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pp.5199-5206
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2010
In this paper, we investigate the buckling analysis of laminated composite plates, using a improved assumed natural strain shell element. In order to overcome membrane and shear locking phenomena, the assumed natural strain method is used. The eigenvalues of the laminated composite plates are calculated by varying the width-thickness ratio and angle of fiber. To improve an shell element for buckling analysis, the new combination of sampling points for assumed natural strain method was applied and the refined first-order shear deformation theory which allows the shear deformation without shear correction factor. In order to validate the present solutions, the reference solutions are used and discussed. The results of laminated composite plates under the in-plane shear loading may be the benchmark test for the buckling analysis.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.6
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pp.2284-2291
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2010
In this paper, we investigate the vibration analysis of plates, using an 8-node shell element that accounts for the transverse shear strains and rotary inertia. The forced vibration analysis of plates subjected to arbitrary loading is investigated. In order to overcome membrane and shear locking phenomena, the assumed natural strain method is used. To improve an 8-node shell element for forced vibration analysis, the new combination of sampling points for assumed natural strain method was applied. The refined first-order shear deformation theory based on Reissner-Mindlin theory which allows the shear deformation without shear correction factor and rotary inertia effect to be considered is adopted for development of 8-node assumed strain shell element. In order to validate the finite element numerical solutions, the reference solutions of plates are presented. Results of the present theory show good agreement with the reference solution. In addition the effect of damping is investigated on the forced vibration analysis of plates.
Formulation of an 8 nodes assumed strain shell element is presented for the analysis of shells. The stiffness matrix based on the Mindlin-Reissner theory is analytically integrated through the thickness. The element is free of membrane and shear locking behavior by using the assumed strain method such that the element performs very well in modeling of thin shell structures. The material is assumed to be isotropic and laminated composite. The element has six degrees of freedom per node and can model the stiffened plates and shells. A great number of numerical testing carried out for the validation of present 8 node shell element are in good agreement with references.
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.
An isoparametric six-node triangular element is utilized for geometrically nonlinear analysis of functionally graded (FG) shells. To overcome the shear and membrane locking, the element is improved by using strain interpolation functions. The Total Lagrangian formulation is employed to include the large displacements and rotations. Finding the nonlinear behavior of FG shells via laminated modeling is also the goal. A power function is employed to formulate the variation of elastic modulus through the thickness of shells. The results are presented in two ways, including the general FGM formulation and the laminated modeling. The equilibrium path is obtained by using the Generalized Displacement Control Method. Some popular benchmarks, including hyperbolical shell structures are solved to declare the correctness and accuracy of proposed formulations.
An accurate and highly efficient inverse element labelled iPCB is developed based on the inverse finite element method (iFEM) for real-time shape estimation of plane-curved structures (such as arch bridges) utilizing onboard strain data. This inverse problem, named shape sensing, is vital for the design of smart structures and structural health monitoring (SHM) procedures. The iPCB formulation is defined based on a least-squares variational principle that employs curved Timoshenko beam theory as its baseline. The accurate strain-displacement relationship considering tension-bending coupling is used to establish theoretical and measured section strains. The displacement fields of the isoparametric element iPCB are interpolated utilizing nonuniform rational B-spline (NURBS) basis functions, enabling exact geometric modelling even with a very coarse mesh density. The present formulation is completely free from membrane and shear locking. Numerical validation examples for different curved structures subjected to different loading conditions have been performed and have demonstrated the excellent prediction capability of iPCBs. The present formulation has also been shown to be practical and robust since relatively accurate predictions can be obtained even omitting the shear deformation contributions and considering polluted strain measures. The current element offers a promising tool for real-time shape estimation of plane-curved structures.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.7
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pp.2661-2669
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2010
In this study, a finite element formulation based first-order shear deformation theory is developed for non-linear behaviors of laminated composite plates containing matrix cracking. The multi-directional stiffness degradation is developed for adopting the stiffness variation induced from matrix cracking, which is proposed by Duan and Yao. The matrix cracking can be expressed in terms of the variation of material properties, such as Young's modulus, shear modulus and Possion ratio of plates, and sequently it is possible to predict the variation of the local stiffness. Using the assumed natural strain method, the present shell element generates neither membrane nor shear locking behavior. Numerical examples demonstrate that the present element behaves quite satisfactorily either for the linear or geometrical nonlinear analysis of laminated composite plates. The results of laminated composite plates with matrix cracking may be the benchmark test for the non-linear analysis of damaged laminated composite plates.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.8
no.2
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pp.247-258
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2004
The composite shell element is developed for the solution of undamped forced vibration problem of composite curved panels. The finite element used in the current study is an 4-node enhanced assumed shell element with six degrees of freedom per node. The composite shell element is free of both shear and membrane locking phenomenon by using the enhanced assumed strain(EAS) method. A modification to the first-order shear deformation shell theory is proposed, which results in parabolic thorough-thickness distribution of the transverse shear strains and stresses. It eliminates the need for shear correction factors in the first order theory. Newmark's direct integration technique is used for carrying out the integration of the equation motion, to obtain the repones history. Parametric studies of curved composite panels are carried out for forced vibration analysis by geometrical shapes and by laminated composite; such as fiber orientation, stacking sequence.
Two new elements with six degrees of freedom are proposed by applying the equilibrium conditions and strain-displacement equations. The first element is formulated for the infinite ratio of beam radius to thickness. In the second one, theory of the thick beam is used. Advantage of these elements is that by utilizing only one element, the exact solution will be obtained. Due to incorporating equilibrium conditions in the presented formulations, both proposed elements gave the precise internal forces. By solving some numerical tests, the high performance of the recommended formulations and also, interaction effects of the bending and axial forces will be demonstrated. While the second element has less error than the first one in thick regimes, the first element can be used for all regimes due to simplicity and good convergence. Based on static responses, it can be deduced that the first element is efficient for all the range of structural characteristics. The free vibration analysis will be performed using the first element. The results of static and dynamic tests show no deficiency, such as, shear and membrane locking and excessive stiff structural behavior.
A mixed eight-node hexahedral element formulated via the Hu-Washizu principle as well as the field extrapolation technique is presented. The mixed element with only three translational degrees of freedom at each node can provide extremely accurate and reliable performance for popular benchmark problems such as spacial beams, plates, shells as well as general three-dimensional elasticity problems. Numerical calculations also show that when extremely skewed and coarse meshes and nearly incompressible materials are used, the proposed mixed element can still possess excellent behaviour. The mixed formulation starts with introduction of a parallelepiped domain associated with the given general eight-node hexahedral element. Then, the assumed strain field at the nodal level is constructed via the Hu-Washizu variational principle for that associated parallelepiped domain. Finally, the assumed strain field at the nodal level of the given hexahedral element is established by using the field extrapolation technique, and then by using the trilinear shape functions the assumed strain field of the whole element domain is obtained. All matrices involved in establishing the element stiffness matrix can be evaluated analytically and expressed explicitly; however, a 24 by 24 matrix has to be inverted to construct the displacement extrapolation matrix. The proposed hexahedral element satisfies the patch test as long as the element with a shape of parallelepiped.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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