In this study, an extended Kantorovich method, employing multi-term displacement functions, is applied to analyze the vibration problem of symmetrically laminated plates with arbitrary boundary conditions. The vibration behaviors of laminated plates are determined based on the variational principle of total energy minimization and the iterative Kantorovich method. The out-of-plane displacement is represented in the form of a series of a sum of products of functions in x and y directions. With a known function in the x or y directions, the formulation for the variation of total potential energy is transformed to a set of governing equations and a set of boundary conditions. The equations and boundary conditions are then numerically solved for the natural frequency and vibration mode shape. The solutions are verified with available solutions from the literature and solutions from the Ritz and finite element analysis. In most cases, the natural frequencies compare very well with the reference solutions. The vibration mode shapes are also very well modeled using the multi-term assumed displacement function in the terms of a power series. With the method used in this study, it is possible to solve the angle-ply plate problem, where the Kantorovich method with single-term displacement function is ineffective.
In this research, bending analysis of a micro sandwich skew plate with isotropic core and piezoelectric composite face sheets reinforced by carbon nanotube on the elastic foundations are studied. The classical plate theory (CPT) are used to model micro sandwich skew plate and to apply size dependent effects based on modified strain gradient theory. Eshelby-Mori-Tanaka approach is considered for the effective mechanical properties of the nanocomposite face sheets. The governing equations of equilibrium are derived using minimum principle of total potential energy and then solved by extended Kantorovich method (EKM). The effects of width to thickness ratio and length to width of the sandwich plate, core-to-face sheet thickness ratio, the material length scale parameters, volume fraction of CNT, the angle of skew plate, different boundary conditions and types of cores on the deflection of micro sandwich skew plate are investigated. One of the most important results is the reduction of the deflection by increasing the angle of the micro sandwich skew plate and decreasing the deflection by decreasing the thickness of the structural core. The results of this research can be used in modern construction in the form of reinforced slabs or stiffened plates and also used in construction of bridges, the wing of airplane.
The layup optimization by genetic algorithm (GA) for the interlaminar strength of laminated composites with free edge is presented. For the calculation of interlaminar stresses of composite laminates with free edges, extended Kantorovich method is applied. In the formulation of GA, repair strategy is adopted for the satisfaction of given constraints. In order to consider the bounded uncertainty of material properties, convex modeling is used. Results of GA optimization with scattered properties are compared with those of optimization with nominal properties. The GA combined with convex modeling can work as a practical tool for maximum interlaminar strength design of laminated composite structures, since uncertainties are always encountered in composite materials and the optimal results can be changed.
Moghtaderi, Saeed H.;Faghidian, S. Ali;Shodja, Hossein M.
Steel and Composite Structures
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제29권4호
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pp.483-491
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2018
Timoshenko beam model is widely exploited in the literature to examine the mechanical behavior of stubby beam-like components. Timoshenko beam theory is well-known to require the shear correction factor in order to recognize the nonuniform shear distribution at a section. While a variety of shear correction factors are appeared in the literature so far, there is still no consensus on the most appropriate form of the shear correction factor. The Saint-Venant's flexure problem is first revisited in the frame work of the classical theory of elasticity and a highly accurate approximate closed-form solution is presented employing the extended Kantorovich method. The resulted approximate solution for the elasticity field is then employed to introduce two shear correction factors consistent with the Cowper's and energy approaches. The mathematical form of the proposed shear correction factors are then simplified and compared with the results available in the literature over an extended range of Poisson's and aspect ratios. The proposed shear correction factors do not exhibit implausible issue of negative values and do not result in numerical instabilities too. Based on the comprehensive discussion on the shear correction factors, a piecewise definition of shear correction factor is introduced for rectangular cross-sections having excellent agreement with the numerical results in the literature for both shallow and deep cross-sections.
In this paper, the free vibrations of a short cylindrical nanotube made of piezoelectric material are studied based on the consistent couple stress theory and using the shear deformable cylindrical theory. This new model has only one length scale parameter and can consider the size effects of nanostructures in nanoscale. To model size effects in nanoscale, and considering the nanotube material which is piezoelectric, the consistent couple stress theory is used. First, using Hamilton's principle, the equations of motion and boundary condition of the piezoelectric cylindrical nanoshell are developed. Afterwards, using Navier approach and extended Kantorovich method (EKM), the governing equations of the system with simple-simple (S-S) and clamped-clamped (C-C) supports are solved. Afterwards, the effects of size parameter, geometric parameters (nanoshell length and thickness), and mechanical and electric properties (piezoelectric effect) on nanoshell vibrations are investigated. Results demonstrate that the natural frequency on nanoshell in nanoscale is extremely dependent on nanoshell size. Increase in size parameter, thickness and flexoelectric effect of the material leads to increase in frequency of vibrations. Moreover, increased nanoshell length and diameter leads to decreased vibration frequency.
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.
The layup optimization by genetic algorithm (GA) for the strength of laminated composites with free-edge is presented. For the calculation of interlaminar stresses of composite laminates with free edges, extended Kantorovich method is applied. In the formulation of GA, repair strategy is adopted for the satisfaction of given constraints. In order to consider the bounded uncertainty of material properties, convex modeling is used. Results of GA optimization with scattered properties are compared with those of optimization with nominal properties. The GA combined with convex modeling can work as a practical tool for light weight design of laminated composite structures since uncertainties are always encountered in composite materials.
A semi-analytical method is presented for accurately prediction of the free vibration behavior of generally laminated composite plates with arbitrary boundary conditions. The method employs the technique of separation of spatial variables within Hamilton's principle to obtain the equations of motion, including two systems of coupled ordinary homogeneous differential equations. Subsequently, by applying the laminate constitutive relations into the resulting equations two sets of coupled ordinary differential equations with constant coefficients, in terms of displacements, are achieved. The obtained differential equations are solved for the natural frequencies and corresponding mode shapes, with the use of the exact state-space approach. The formulation is exploited in the framework of the first-order shear deformation theory to incorporate the effects of transverse shear deformation and rotary inertia. The efficiency and accuracy of the present method are demonstrated by obtaining solutions to a wide range of problems and comparing them with finite element analysis and previously published results.
First time, an exact solution for free vibration of the Levy-type rectangular laminated plate is developed considering the most efficient Zig-Zag theory (ZIGT) and third order theory (TOT). The plate is subjected to hard simply supported boundary condition (Levy-type) along x axis. Using the equilibrium equations and the plate constitutive relations, a set of 12 m first order differential homogenous equations are obtained, containing displacements and stress resultant as primary variables. The natural frequencies of a single-layer isotropic, multi-layer composites and sandwich plates are tabulated for three values of length-to-thickness ratio (S) and five set of boundary conditions and further assessed by comparing with existing literature and recently developed 3D EKM (extended Kantorovich method) solution. It is found that for the symmetric composite plate, TOT produces better results than ZIGT. For antisymmetric and sandwich plates, ZIGT predicts the frequency for different boundary conditions within 3% error with respect to 3D elasticity solution while TOT gives 10% error. But, ZIGT gives better predictions than the TOT concerning the displacement and stress variables.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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