This study aims to examine an effect of stacking sequence and curvature on the penetration characteristic of a composite laminated shell. For the purpose, we manufactured specimens with different stacking sequences and curvatures, and conducted a penetration test using an air-gun. To examine an influence according to stacking sequence, as flat plate and curvature specimen had more plies, their critical penetration energy was higher, Critical penetration energies of specimen A and C with less interfaces somewhat higher than those of B and D with more interfaces. The reason that with less interfaces, critical penetration energy was higher is pre-impact bending stiffness of composite laminated shell with less interfaces was lower than that of laminated shell with more interfaces, but bending stiffness after impact was higher. And it is because interface, the weakest part of the composite laminated shell, was influenced by transverse impact. As curvature increases, critical penetration energy increases linearly. It is because as curvature increases, resistance to in-plane deformation as well as bending deformation increases, which need higher critical penetration energy. Patterns of cracks caused by penetration of composite laminated shells include interlaminar crack, intralaminar crack, and laminar fracture. A 0$^{\circ}$ply laminar had a matrix crack, a 90$^{\circ}$ply laminar had intralaminar crack and laminar fracture, and interface between 0$^{\circ}$and 90$^{\circ}$laminar had a interlaminar crack. We examined crack length and delamination area through a penetration test. For the specimen A and C with 2 interface, the longest circumferential direction crack length and largest delamination area were observed on the first interface from the impact point. For the specimen B and D with 4 interface, the longest crack length and largest delamination area were observed on the third interface from the impact point.
The analytical solutions for the free vibration and buckling of cross-ply laminated composite cylindrical shell with axial stiffeners(stringers) and circumferential stiffeners(rings), that is, orthogonally stiffened shells, are presented using the energy method. The stiffeners are assumed to be an integral part of the shell and have been directly included in analysis(it's called discrete stiffener theory). The effect of the parameters such as the stacking sequences, the shell thickness, the shell length-to-radius ratio are studied. By comparison with the previously published analytical results for the stiffened cylindrical shells, it is shown that natural frequencies can be determined with adequate accuracy.
In the present study, a fifth-order shear and normal deformation theory using a polynomial function in the displacement field is developed and employed for the static analysis of laminated composite and sandwich simply supported spherical shells subjected to sinusoidal load. The significant feature of the present theory is that it considers the effect of transverse normal strain in the displacement field which is eliminated in classical, first-order and many higher-order shell theories, while predicting the bending behavior of the shell. The present theory satisfies the zero transverse shear stress conditions at the top and bottom surfaces of the shell. The governing equations and boundary conditions are derived using the principle of virtual work. To solve the governing equations, the Navier solution procedure is employed. The obtained results are compared with Reddy's and Mindlin's theory for the validation of the present theory.
The finite element analysis of plate and shell structures has been one of the major research interests for many years because of the technological importance of such structures. Quite often these structures are constructed by laminated composites. This is due to the high specific stiffness and strength of composite structures. The main objective of this paper is to extend the use of an improved degenerated shell element to the large displacement analysis of plates and shells with laminated composites. The total Lagrangian approach has been chosen for the definition of the deformation and the solution to the nonlinear equilibrium equations is obtained by the Newton-Raphson method.
등방성 혹은 비등방성 적층복합판 및 쉘의 선형 정적 문제와 자유진동 해석이 새로운 변형률 변위 관계가 도입된 개선된 9절점 쉘 요소에 의하여 수행되었다. 그 관계에서 새롭게 추가된 휨 변형률과 변위사이의 관계 항들에 의한 효과는 비틀어진 보 문제에서 검토되었다. 정식화의 전 과정을 통해, 식들의 모든 항들은 자연 좌표계에 기초하고 있다. 가정 자연 변형률 방법이 막 잠김과 전단 잠김 거동을 제거하기 위하여 사용하였다. 적층 복합판 및 쉘의 고유치의 계산을 위해 Lanczos방법을 사용하였고 질량행렬을 구성하기 위하여 Gauss적분법을 사용하였다. 정식화의 유효성을 평가하기 위해 수치 예제를 해석적 해와 비교하였으며, 제시된 결과는 자유진동 조건하에서 적층체의 거동을 이해하는데 유용할 것이다.
Sandwich shells made of composite materials are the main focus on recent literature parallel to the requirements of industry. They are commonly chosen for the modern engineering applications which require moderate strength to weight ratio without dependence on conventional manufacturing techniques. The investigations on hyperbolic paraboloidal formed sandwich composite shells are limited in the literature contrary to shells that have a number of studies, consisting of doubly curved surfaces, arbitrary boundaries and laminations. Because of the lack of contributive data in the literature, the aim of this study is to present the effects of curvature on hyperbolic paraboloidal formed, layered sandwich composite surfaces that have arbitrary boundary conditions. Analytical solution methodology for the analyses of stresses and deformations is based on Third Order Shear Deformation Theory (TSDT). Double Fourier series, which are specialized for boundary discontinuity, are used to solve highly coupled linear partial differential equations. Numerical solutions showing the effects of shell geometry are presented to provide benchmark results.
The Element-Based Lagrangian Formulation of a 9-node resultant-stress shell element is presented for the isotropic and anisotropic composite material. The effect of the coupling term between the bending strain and displacement has been investigated in the warping problem. 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 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. In composite plates and shells, the transverse shear stiffness is defined by an equilibrium approach instead of using the shear correction factor. The arc-length control method is used to trace complex equilibrium paths in thin shell applications. Several numerical analyses are presented and discussed in order to investigate the capabilities of the present shell element. The results showed very good agreement compared with well-established formulations in the literature.
This paper aims to present an alternative analytical method for transient vibration analysis of doubly-curved laminated shells subjected to dynamic loads. In the method proposed, the governing differential equations of laminated shell are derived using the dynamic version of the principle of virtual displacements. The governing equations of first order shear deformation laminated shell are obtained by Navier solution procedure. Time-dependent equations are transformed to the Laplace domain and then Laplace parameter dependent equations are solved numerically. The results obtained in the Laplace domain are transformed to the time domain with the help of modified Durbin's numerical inverse Laplace transform method. Verification of the presented method is carried out by comparing the results with those obtained by Newmark method and ANSYS finite element software. Also effects of number of laminates, different material properties and shell geometries are discussed. The numerical results have proved that the presented procedure is a highly accurate and efficient solution method.
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.
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 eigenvalue 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 present shell element should serve as a powerful tool in the prediction of natural frequency and modes of multi-layered thick laminated shell structures with arbitrary-shaped multiple delaminations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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