Banh, Thanh T.;Nguyen, Xuan Q.;Herrmann, Michael;Filippou, Filip C.;Lee, Dongkyu
Steel and Composite Structures
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v.35
no.1
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pp.129-145
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2020
In typical, structural topology optimization plays a significant role to both increase stiffness and save mass of structures in the resulting design. This study contributes to a new numerical approach of topologically optimal design of Mindlin-Reissner plates considering Winkler foundation and mathematical formulations of multi-directional variable thickness of the plate by using multi-materials. While achieving optimal multi-material topologies of the plate with multi-directional variable thickness, the weight information of structures in terms of effective utilization of the material at the appropriate thickness location may be provided for engineers and designers of structures. Besides, numerical techniques of the well-established mixed interpolation of tensorial components 4 element (MITC4) is utilized to overcome a well-known shear locking problem occurring to thin plate models. The well-founded mathematical formulation of topology optimization problem with variable thickness Mindlin-Reissner plate structures by using multiple materials is derived in detail as one of main achievements of this article. Numerical examples verify that variable thickness Mindlin-Reissner plates on Winkler foundation have a significant effect on topologically optimal multi-material design results.
A 4-node element for efficient finite element analysis of plate bending is presented in this paper. This element is formulated based on Mindlin plate theory to take account of shear deformation. To overcome the overestimation of shear stiffness in thin Mindlin plate element, especially in the lower order element, five nonconforming displacement modes are added to the original displacement fields. The proposed nonconforming element does not possess spurious zero-energy mode and does not show shear locking phenomena in very thin plate even for distorted mesh shapes. It was recognized from benchmark numerical tests that the displacement converges to the analytical solutions rapidly and the stress distributions are very smooth. The element also provides good results for the case of high aspect ratio.
In this study, the impact problems are brought up and the formulation by isoparametric element is attempted for the purpose of analyzing the response characteristics of laminated plate receiving impact load based on the first-order shear deformation theory expanded from the Mindlin plate theory. The result of static analysis and dynamic analysis is drawn through the numerical analysis rectangular and circular plates of antisymmetric Angle-Ply laminated plate using the finite element method and the analysis on each displacement is compared.
In this paper, the classical continuum mechanics is adopted and modified to be consistent with the unique behavior of micro/nano solids. At first, some kinematical principles are discussed to illustrate the effect of the discrete nature of the microstructure of micro/nano solids. The fundamental equations and relations of the modified couple stress theory are derived to illustrate the microstructural effects on nanostructures. Moreover, the effect of the material surface energy is incorporated into the modified continuum theory. Due to the reduced coordination of the surface atoms a residual stress field, namely surface pretension, is generated in the bulk structure of the continuum. The essential kinematical and kinetically relations of nano-continuums are derived and discussed. These essential relations are used to derive a size-dependent model for Mindlin functionally graded (FG) nano-plates. An analytical solution is derived to show the feasibility of the proposed size-dependent model. A parametric study is provided to express the effect of surface parameters and the effect of the microstructure couple stress on the bending behavior of a simply supported FG nano plate.
This research work deals with the development of a new Triangular finite element for the linear analysis of plate bending with transverse shear effect. It is developed in perspective to building shell elements. The displacements field of the element has been developed by the use of the strain-based approach and it is based on the assumed independent functions for the various components of strain insofar as it is allowed by the compatibility equations. Its formulation uses also concepts related to the fourth fictitious node, the static condensation and analytic integration. It is based on the assumptions of tick plate.s theory (Reissner-Mindlin theory). The element possesses three essential external degrees of freedom at each of the four nodes and satisfies the exact representation of the rigid body modes of displacements. As a result of this approach, a new bending plate finite element (Pep43) which is competitive, robust and efficient.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.5
no.3
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pp.220-228
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1997
We discuss finite element approximation and use a Mindlin plate element based upon uniformly reduced numerical integration. The finite element selected for use in this work is a four-node, bilinear displacement element based upon the Mindlin theory of plates. Such elements show good accuracy for laminated composite plates when reduced numerical integration is used to evaluate the element marices. This study presents both the experimental and F.E. results for the natural frequencies of CFRPURETHANE-CFRP Composite plate. Good agreement between experimental and calculated frequencies is achived.
Static performance was compared for the triangular plate elements through some numerical experiments. Four Kirchhoff elements and six Mindlin elements were selected for the comparison. Numerical tests were executed for the problems of rectangular plates with regular and distorted meshes, rhombic plates, circular plates and cantilever plates. Among the Kirchhoff 9 DOF elements, the discrete Kirchhoff theory element was the best. Element distortion and the aspect ratio were shown to have negligible effects on the displacement behaviour. The Specht's element resulted in better results than the Bergan's but it was sensitive to the aspect ratio. The element based on the hybrid stress method also resulted in good results but it assumed to be less reliable. Among the linear Mindlin elements, the discrete shear triangle was the best in view of reliability, accuracy and convergence. Since the thin plate behaviour of it was as good as the DKT element, it can be used effectively in the finite element code regardless of the thickness. As a quadratic Mindlin element, the MITC7 element resulted in best results in almost all cases considered. The results were at least as good as those of doubly refined meshes of linear elements.
A finite element method is programmed to analyse the nonlinear behavior of axisymmetric structures. The lst order Mindlin shell theory which takes into account the transversal shear deformation is used to formulate a conical two node element with six degrees of freedom. To evade the shear locking phenomenon which arises in Mindlin type element when the effect of shear deformation tends to zero, the reduced integration of one point Gauss Quadrature at the center of element is employed. This method is the Updated Lagrangian formulation which refers the variables to the state of the most recent iteration. The solution is searched by Newton-Raphson iteration method. The tangent matrix of this method is obtained by a finite difference method by perturbating the degrees of freedom with small values. For the moment this program is limited to the analyses of non-linear elastic problems. For structures which could have elastic stability problem, the calculation is controled by displacement.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.2
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pp.151-160
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1993
This paper is concerned with formulations of the hierarchical $C^{\circ}$-plate element on the basis of Reissner-Mindlin plate theory. On reason for the development of the aforementioned element based on Integrals of Legendre shape functions is that it is still difficult to construct elements based on h-version concepts which are accurate and stable against the shear locking effects. An adaptive mesh refinement and selective p-distribution of the polynomial degree using hp-version of the finite element method are proposed to verify the superior convergence and algorithmic efficiency with the help of the simply supported L-shaped plate problems.
A simplified method for the calculation of dynamic characteristics of initially stressed antisymmetric cross-ply laminated shells is presented in this paper using the natural frequencies under unloading state. The equation of motion of laminated shell with two opposite edges simply supported is investigated on the basis of Rayleigh-Ritz method and Mindlin shell theory with effect of the curvature term. The relationships of the non-dimensional natural frequencies with initial stresses the coeffcients of critical buckling and the boundaries of te dynamic principal instability region can be characterized by the non-dimensional natureal frequencies under unloading state. Numerical examples are presented t verify the simplified equations and to illustrate potential applications of the analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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