In this study, a new refined hyperbolic shear deformation theory (RHSDT) is developed using an equivalent single-layer shell displacement model for the static bending and free vibration response of cross-ply laminated composite spherical shells. It is based on a new kinematic in which the transverse displacement is approximated as a sum of the bending and shear components, leading to a reduction of the number of unknown functions and governing equations. The proposed theory uses the hyperbolic shape function to account for an appropriate distribution of the transverse shear strains through the thickness and satisfies the boundary conditions on the shell surfaces without requiring any shear correction factors. The shell governing equations for this study are derived in terms of displacement from Hamilton's principle and solved via a Navier-type analytical procedure. The validity and high accuracy of the present theory are ascertained by comparing the obtained numerical results of displacements, stresses, and natural frequencies with their counterparts generated by some higher-order shear deformation theories. Further, a parametric study examines in detail the effect of both geometrical parameters (i.e., side-to-thickness ratio and curvature-radius-to-side ratio), on the bending and free vibration response of simply supported laminated spherical shells, which can be very useful for many modern engineering applications and their optimization design.
In this research paper, the free vibrational response of laminated composite plates is investigated using a non-polynomial refined shear deformation theory (NP-RSDT). The most interesting feature of this theory is the parabolic distribution of transverse shear deformations while ensuring the conditions of nullity of shear stresses at the free surfaces of the plate without requiring the Shear correction factor "Ks". A fourth-nodded isoparametric element with four degrees of freedom per node is employed for laminated composite plates. The numerical analysis of simply supported square anti-symmetric cross-ply and angle-ply laminated plate is carried out using a special discretization based on four-node finite element method which four degrees of freedom per node. Several numerical results are presented to show the effect of the coupling parameters of the plate such as the modulus ratios, the thickness ratio and the plate layers number on adimensional eigen frequencies. All numerical results presented using the current finite element method (FEM) is presented in 3D curve form.
This paper demonstrates the analyses of the interlaminar shear stress of laminated composite plates subjected to transversely impact. For this purpose, a plate finite element model based on the higher order shear deformation plate theory in conjunction with static contact laws is developed. Test materials were CFRP with cross-ply laminate $[O_4/{\theta}_4]_S$, $[90_4/{\theta}_4]_S$ stacking sequences and angle-ply laminate $[{\theta}_4/-{\theta}_4]_S$, $[{\theta}_4/-{\theta}_4]_S$ stacking deguences with $2^t{\times}40^w{\times}100^l(mm)$ dimension. As a result, stacking seguence and fiber orientation were found to have a significant effect on the interlaminar stresses in composite laminates.
The presence of elevated temperature can alter significantly the structural response of fibre-reinforced laminated composites. A thermal environment causes degradation in both strength and constitutive properties, particularly in the case of fibre-reinforced polymeric composites. Furthermore, associated thermal expansion, either alone or in combination with mechanically induced deformation, can result in buckling, large deflections, and excessively high stress levels. Consequently, it is often imperative to consider environmental effects in the analysis and design of laminated systems. Exact analytical solutions of higher-order shear deformation theory is developed to study the thermal buckling of cross-ply and antisymmetric angle-ply rectangular plates. The buckling behavior of moderately thick cross-ply and antisymmetric angle-ply laminates that are simply supported and subject to a uniform temperature rise is analyzed. Numerical results are presented for fiber-reinforced laminates and show the effects of ply orientation, number of layers, plate thickness, and aspects ratio on the critical buckling temperature and compared with those obtained using the classical and first-order shear deformation theory.
International Journal of Aerospace System Engineering
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v.2
no.2
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pp.19-23
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2015
This work deals with the study of buckling and post buckling characteristics of laminated composite plates with and without localized regions of damage. The need of a detailed study on Finite Element Analysis of buckling and post buckling of laminated composite structures considering various aspects enhances the interest among researchers. Mathematical formulation is developed for damaged composite plates using a finite element technique based on Inverse Hyperbolic Shear Deformation Theory. This theory satisfies zero transverse shear stresses conditions at the top and bottom surfaces of the plate and provides a non-linear transverse shear stress distribution. Damage modeling is done using an anisotropic damage formulation, which is based on the concept of stiffness change. The structural elements are subjected to in-plane loading. The computer program is developed in MATLAB environment. The numerical results are presented after through validation of developed finite element code. The effect of damage on buckling and post buckling has been carried out for various parameters such as amount of percentage of damaged area, damage intensity, etc. The results show that the presence of internal flaws will significantly affect the buckling characteristics of laminated composite plates. The outcomes and remarks from this work will assist to address some key issues concerning composite structures.
This work presents a static flexure analysis of laminated composite plates by utilizing a higher order shear deformation theory in which the stretching effect is incorporated. The axial displacement field utilizes sinusoidal function in terms of thickness coordinate to consider the transverse shear deformation influence. The cosine function in thickness coordinate is employed in transverse displacement to introduce the influence of transverse normal strain. The highlight of the present method is that, in addition to incorporating the thickness stretching effect (${\varepsilon}_z{\neq}0$), the displacement field is constructed with only 5 unknowns, as against 6 or more in other higher order shear and normal deformation theory. Governing equations of the present theory are determined by employing the principle of virtual work. The closed-form solutions of simply supported cross-ply and angle-ply laminated composite plates have been obtained using Navier solution. The numerical results of present method are compared with those of the classical plate theory (CPT), first order shear deformation theory (FSDT), higher order shear deformation theory (HSDT) of Reddy, higher order shear and normal deformation theory (HSNDT) 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. It can be concluded that the proposed method is accurate and simple in solving the static bending response of laminated composite plates.
This paper depicts the development and characterizations of laminated composites made with cellulosic giant cane (Arundinaria gigantea) fiber mats and epoxy resin. Zirconia-toughened mullite (ZTM) is used as a filler material in the laminated composite which was prepared from sillimanite through plasma processing technique. The mechanical characterizations of this composite have been carried out as per ASTM standards to evaluate its usability as a structural material. The effects of varying weight percentages of the filler and two different fiber orientations namely, angle-ply [$+45^{\circ}/-45^{\circ}/+45^{\circ}$] and balanced cross-ply [$0^{\circ}/90^{\circ}/0^{\circ}$] on the physical and mechanical properties such as density, microhardness, impact strength, tensile strength and interlaminar shear strength of the layered composite specimens have been investigated. The study indicates that the inclusion of zirconia-toughened mullite in the composite laminate as filler improves its mechanical properties. Moreover, the use of giant cane fiber mat in the laminate is more eco-friendly than the synthetic fibers. This research also helps in generating additional data to enrich the repository of natural fiber reinforced laminated composites.
In the present work, the recently developed non-polynomial shear deformation theories are assessed for thermo-mechanical response characteristics of laminated composite plates. The applicability and accuracy of these theories for static, buckling and free vibration responses were ascertained in the recent past by several authors. However, the assessment of these theories for thermo-mechanical analysis of the laminated composite structures is still to be ascertained. The response characteristics are investigated in linear and non-linear thermal gradient and also in the presence and absence of mechanical transverse loads. The laminated composite plates are modelled using recently developed six shear deformation theories involving different shear strain functions. The principle of virtual work is used to develop the governing system of equations. The Navier type closed form solution is adopted to yield the exact solution of the developed equation for simply supported cross ply laminated plates. The thermo-mechanical response characteristics due to these six different theories are obtained and compared with the existing results.
In this research, the free vibration response of laminated composite plates is investigated using a novel and simple higher order shear deformation plate theory. The model considers a non-linear distribution of the transverse shear strains, and verifies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the plate without introducing shear correction coefficient. The developed kinematic uses undetermined integral terms with only four unknowns. Equations of motion are obtained from the Hamilton's principle and the Navier method is used to determine the closed-form solutions of antisymmetric cross-ply and angle-ply laminates. Numerical examples studied using the present formulation is compared with three-dimensional elasticity solutions and those calculated using the first-order and the other higher-order theories. It can be concluded that the present model is not only accurate but also efficient and simple in studying the free vibration response of laminated composite plates.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.23
no.4
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pp.367-380
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2019
A 1kW-class horizontal axis wind turbine (HAWT) rotor blade is taken into account to investigate elastic characteristics in 2-D. The elastic blade field is composed of symmetric cross-ply laminated composite material. Blade element momentum theory is applied to obtain the boundary conditions pressuring the blade, and the plane stress elasticity problem is formulated in terms of two displacement parameters with mixed boundary conditions. For the elastic characteristics a fair of differential equations are derived based on the elastic theory. The domain is divided by triangular and rectangular elements due to the complexity of the blade configuration, and a finite element method is developed for the governing equations to search approximate solutions. The results describe that the elastic behavior is deeply influenced by the layered angle of the middle laminate and the stability of the blade can be improved by controlling the layered angle of laminates, which can be evaluated by the mathematical approach.
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