A new analytical method for the prediction of the buckling behavior of laminated plates consisting of layers having different properties in tension and compression, so called bimodulus, is proposed in this paper. Buckling analysis of bimodular composite laminated paltes are performed with the results reduced from plate bending analysis. The governing equations of bimodular plates are based on the first shear deformation theory. As a case study, bending and buckling of simply supported, multilayered, symmetric, antisymmtric, and specially orthotropic laminates under uniformly distributed lateral load for bending analysis and in-plane load for buckling are considered. The results of the bending analysis are compared with the previous papers. Then, the fundamental critical buckling loads and buckling modes are calculated for the various bimodular composite rectangular thin plates.
In order to investigate the effects of layer-wise in-plane displacements on vibration and damping characteristics of composite laminated plates, the finite element method based on the generalized laminated plate theory(GLPT) has been formulated. Specific damping capacity of each mode was obtained by modal strain energy method. To see the effect of transverse shear on deformation, the strain energy of stress components was computed. The accuracy of this study was examined for the cylindrical bending vibration of cross-ply plate strip. The results were very accurate compared with 3-D solutions. The numerical results show that through-thickness variation of in-plane displacements has not so much influence on the natural frequency, but has a great influence on the damping of composite plates, especially on the damping of thick composite plates since the damping is affected by local behavior while the natural frequency is affected by global behavior.
Composite materials can be used economically and efficiently in broad civil engineering applications when standards and processes for analysis, design, fabrication, construction and quality control are established. Many of the bridge systems, including the girders and cross-beams, and concrete decks behave as the special othotropic plates. Such systems with boundary conditions other than Navier or Levy solution types, or with irregular cross sections, analytical solution is very difficult to obtain. Numerical method for eigenvalue problems are also very much involved in seeking such a solution. A method of calculating the natural frequency corresponding to the first mode of vibration of beam and tower structures with irregular cross-sections was developed and reported by the author in 1974 Recently, this method was extended to two dimensional problems including composite laminates, and has been applied to composite plates with various boundary conditions with/without shear deformation effects and reported at several international conferences including the Eighth Structures Congress of American Society of Civil Engineers in 1990. In this paper, the result of application of this method to the special orthotropic plates with various boundary condition is presented.
To analyze the bending and transverse shear effects of laminated composite plates, a thirteen nodes triangular element will be presented. The suggested formulations consider a parabolic variation of the transverse shear strains through the thickness. As a result, there is no need to use shear correction coefficients in computing the shear stresses. The proposed element can model both thin and thick plates without any problems, such as shear locking and spurious modes. Moreover, the effectiveness of $w_{,n}$, as an independent degree of freedom, is concluded by the present study. To perform the accuracy tests, several examples will be solved. Numerical results for the orthotropic materials with different boundary conditions, shapes, number of layers, thickness ratios and fiber orientations will be presented. The suggested element calculates the deflections and stresses more accurate than those available in the literature.
In this paper, a Taguchi-based finite element method (FEM) has been proposed and implemented to assess optimal design parameters for minimum static deflection in laminated composite plate. An orthodox mathematical model (based on higher-order shear deformation plate theory and Green-Lagrange geometrical nonlinearity) has been used to compute the nonlinear central deflection values of laminated composite plates according to Taguchi design of experiment via a self-developed MATLAB computer code. The lay-up scheme, aspect ratio, thickness ratio and the support conditions of the laminated composite plate structure were designated as the governable design parameters. Analysis of variance (ANOVA) is used to investigate the effect of diverse control factors on the nonlinear static responses. Moreover, regression model is developed for predicting the desired responses. The ANOVA revealed that the lay-up scheme alongside the support condition plays vital role in minimizing the central deflection values of laminated composite plate under uniformly distributed load. The conformity test results of Taguchi analysis are also in good agreement with the numerical experimentation results.
A decoupled thermo-~lezoelectric-mechanical model of composite laminates with surface bonded piezoelectric actuators, subjected to externally applied load, temperature change load, electric field load is developed. The governing differential equations are obtained by applying the principle of free energy and variational techniques. A higher order zigzag theory displacement field is employed to accurately capture the transverse shear and normal effects in laminated composite plates of arbitrary thickness.
This paper presents the theoretical analysis method to determine the stress concentrations around the circular cutouts with various geometrical parameters. The purposes of this study are to investigate on the stress distribution around the circular cutouts due to interaction between two circular cutouts and to develop the design method in composite plates. The composite laminated plate with 2 equal collinear circular cutouts under inplane loads is treated as an quasi-isotropic, symmetric, finite, square, multiply connected and thin plate. The effects of cutout sizes, distances between two circular cutouts and inplane load conditions on stress distribution are studied in detail.
Although extensive efforts have been devoted to the optimal design of composite laminated plates in recent years, some practical issues still need further research. Two of them are: the handling of the ply angle as either continuous or discrete; and that of the uncertainties in material properties, which were treated as continuous and ignored respectively in most researches in the past. In this paper, an algorithm for stacking sequence optimization which deals with discrete ply angles and that for thickness optimization which considers uncertainties in material properties are used for a two step optimization of composite laminated plates. In the stacking sequence optimization, the branch and bound method is modified to handle discrete variables; and in the thickness optimization, the convex modeling is used in calculating the failure criterion, given as constraint, to consider the uncertain material properties. Numerical results show that the optimal stacking sequence is found with fewer evaluations of objective function than expected with the size of feasible region taken into consideration; and the optimal thickness increases when the uncertainties of elastic moduli considered, which shows such uncertainties should not be ignored for safe and reliable designs.
Faisal Baakeel;Mohamed A. Eltaher;Muhammad Adnan Basha;Ammar Melibari;Alaa A. Abdelrhman
Advances in aircraft and spacecraft science
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제10권4호
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pp.347-368
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2023
In the first part of this study, a numerical simulation model was developed using the mechanical APDL software to validate the results of the 3D-elastisity theory on the laminated sandwich plate developed by Panago. The numerical simulation model showed a good agreement to the results of Pagano's theory in terms of deflection, normal stresses, and shear stresses. In the second part of this study, the developed numerical simulation model was used to define different plates dimensions and fibers layup orientations to examine the load response in terms of deflection and stresses. Further analysis was implemented on the natural frequencies of laminated xxx plates of the plates. The layup configurations include Unidirectional (UD), Cross-Ply (CP), Quasi-Isotropic (QI), the linear bio-inspired known as Linear-Helicoidal (LH), and the nonlinear bio-inspired known as Fibonacci-Helicoidal (FH). The following numerical simulation model can be used for the design and study of novel, sophisticated bio-inspired composite structures in a variety of configurations subjected to sinusoidal or constant loads.
An equivalent single layer trigonometric shear deformation theory taking into account transverse shear deformation effect as well as transverse normal strain effect is presented for static flexure of cross-ply laminated composite and sandwich plates. The inplane displacement field uses sinusoidal function in terms of thickness coordinate to include the transverse shear deformation effect. The cosine function in thickness coordinate is used in transverse displacement to include the effect of transverse normal strain. The kinematics of the present theory is much richer than those of the other higher order shear deformation theories, because if the trigonometric term (involving thickness coordinate z) is expanded in power series, the kinematics of higher order theories (which are usually obtained by power series in thickness coordinate z) are implicitly taken into account to good deal of extent. Governing equations and boundary conditions of the theory are obtained using the principle of virtual work. The closed-form solutions of simply supported cross-ply laminated composite and sandwich plates have been obtained. The results of present theory are compared with those of the classical plate theory (CPT), first order shear deformation theory (FSDT), higher order shear deformation theory (HSDT) of Reddy and exact three dimensional elasticity theory wherever applicable. The results predicted by present theory are in good agreement with those of higher order shear deformation theory and the elasticity theory.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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