The purpose of this paper is to study shear locking-free analysis of thick plates using Mindlin's theory and to determine the effects of the thickness/span ratio, the aspect ratio and the boundary conditions on the linear responses of thick plates subjected to uniformly distributed loads. Finite element formulation of the equations of the thick plate theory is derived by using higher order displacement shape functions. A computer program using finite element method is coded in C++ to analyze the plates clamped or simply supported along all four edges. In the analysis, 8- and 17-noded quadrilateral finite elements are used. Graphs and tables are presented that should help engineers in the design of thick plates. It is concluded that 17-noded finite element converges to exact results much faster than 8-noded finite element, and that it is better to use 17-noded finite element for shear-locking free analysis of plates. It is also concluded, in general, that the maximum displacement and bending moment increase with increasing aspect ratio, and that the results obtained in this study are better than the results given in the literature.
Filho, Joao Elias Abdalla;Belo, Ivan Moura;Pereira, Michele Schunemann
Structural Engineering and Mechanics
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제28권5호
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pp.603-633
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2008
A four-node plate finite element for the analysis of laminated composites which is developed using strain gradient notation is presented. The element is based on a first-order shear deformation theory and on the equivalent lamina assumption. Strains and stresses can be calculated at different points through the thickness of the plate. They are averaged values due to the equivalent lamina assumption. A shear correction factor is used as the transverse shear strain is taken to be constant over the plate thickness while its actual variation is parabolic. Strain gradient notation, which is physically interpretable, allows for the detailed a-priori analysis of the finite element model. The polynomial expansions are inspected and spurious terms responsible for modeling errors are identified in the shear strains polynomial expansions. The element is corrected by simply removing the spurious terms from the shear strains expansions. The element is implemented into a FORTRAN finite element code in two versions; namely, with and without spurious terms. Results are compared to show the effects of the spurious terms on the solutions. It is also shown that a refined mesh composed of corrected elements provides solutions which approximate very well the analytical solutions, validating the procedure.
In this study, free vibration analysis of Reissner plates on Pasternak foundation is carried out by mixed finite element method based on the G$\hat{a}$teaux differential. New boundary conditions are established for plates on Pasternak foundation. This method is developed and applied to numerous problems by Ak$\ddot{o}$z and his co-workers. In dynamic analysis, the problem reduces to the solution of a standard eigenvalue problem and the mixed element is based upon a consistent mass matrix formulation. The element has four nodes and bending and torsional moments, transverse shear forces, rotations and displacements are the basic unknowns. The element performance is assessed by comparison with numerical examples known from literature. Validity limits of Kirchhoff plate theory is tested by dynamic analysis. Shear locking effects are tested as far as $h/2a=10^{-6}$ and it is observed that REC32 is free from shear locking.
A four-noded plate bending quadrilateral (PBQ4) and an eight-noded plate bending quadrilateral (PBQ8) element based on Mindlin plate theory have been adopted for modeling the thick plates on elastic foundations using Winkler model. Transverse shear deformations have been included, and the stiffness matrices of the plate elements and the Winkler foundation stiffness matrices are developed using Finite Element Method based on thick plate theory. A computer program is coded for this purpose. Various loading and boundary conditions are considered, and examples from the literature are solved for comparison. Shear locking problem in the PBQ4 element is observed for small value of subgrade reaction and plate thickness. It is noted that prevention of shear locking problem in the analysis of the thin plate is generally possible by using element PBQ8. It can be concluded that, the element PBQ8 is more effective and reliable than element PBQ4 for solving problems of thin and thick plates on elastic foundations.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제7권2호
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pp.324-345
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2015
A new procedure for determining properties of thick plate finite elements, based on the modified Mindlin theory for moderately thick plate, is presented. Bending deflection is used as a potential function for the definition of total (bending and shear) deflection and angles of cross-section rotations. As a result of the introduced interdependence among displacements, the shear locking problem, present and solved in known finite element formulations, is avoided. Natural vibration analysis of rectangular plate, utilizing the proposed four-node quadrilateral finite element, shows higher accuracy than the sophisticated finite elements incorporated in some commercial software. In addition, the relation between thick and thin finite element properties is established, and compared with those in relevant literature.
Being a significant mode of deformation, shear effect in addition to the other modes of stretching and bending have been considered to develop two finite element models for the analysis of beams on elastic foundation. The first beam model is developed utilizing the differential-equation approach; in which the complex variables obtained from the solution of the differential equations are used as interpolation functions for the displacement field in this beam element. A single element is sufficient to exactly represent a continuous part of a beam on Winkler foundation for cases involving end-loadings, thus providing a benchmark solution to validate the other model developed. The second beam model is developed utilizing the hybrid-mixed formulation, i.e., Hellinger-Reissner variational principle; in which both displacement and stress fields for the beam as well as the foundation are approxmated separately in order to eliminate the well-known phenomenon of shear locking, as well as the newly-identified problem of "foundation-locking" that can arise in cases involving foundations with extreme rigidities. This latter model is versatile and indented for utilization in general applications; i.e., for thin-thick beams, general loadings, and a wide variation of the underlying foundation rigidity with respect to beam stiffness. A set of numerical examples are given to demonstrate and assess the performance of the developed beam models in practical applications involving shear deformation effect.
In the displacement based finite element analysis of composite beams that consist of two Euler-Bernoulli beams juxtaposed with a deformable shear connection, the coupling of the displacement fields may cause oscillations in the interlayer slip field and reduction in optimal convergence rate, known as slip-locking. In this study, the B-bar procedure is proposed to alleviate the locking effects. It is also shown that by changing the primary dependent variables in the mathematical model, to be able to interpolate the interlayer slip field directly, oscillations in the slip field can be completely eliminated. Examples are presented to illustrate the performance and the numerical characteristics of the proposed methods.
Park, Seung-Ho;Yoon, Young-Seok;Lee, Dong-Woo;Lee, Dong-Ik;You, Kyoung-Hwan;Pang, Chang-Hyun;Suh, Kahp-Yang
한국진공학회:학술대회논문집
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한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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pp.432-432
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2011
Dry adhesion caused by Nanoscale contact comes up to important scientific issue. Herein, we introduce bendable nanohairy locking fastener system with high shear strength and mechanically flexible backing. The polymeric patches like velcro are composed of an array of straight nanohairs with 100 nm diameter and $1{\mu}m$ height. To fabricate high aspect vertical nanohairs, we used UV molding method with appropriately flexible and rigid polyurethane acrylate material on PET substrate. Two identical nanohairy patches are easily merged and locked each other induced by van der Waals force. Because nanohairs can be arrayed with high density ${\sim}4{\times}10^8/cm^2$, we can obtain high shear adhesion force on flat surface (~22 N/$cm^2$). Furthermore, we can obtian nanohairy locking system with maximum shear adhesion ~48 N/$cm^2$ of curved surface due to flexibility of PET substrate. We confirm the tendency that shear adhesion force increases, as radius of curvature increases.
본 논문에서는 평판 구조물의 효율적인 해석을 위한 4절점 평판휨 요소를 개발하였다. 이 요소는 전단변형을 고려하기 위해 Mindlin평판이론에 의하여 유도하였다. 평판휨 문제에서 4절점요소와 같은 저차의 등매개변수 Mindlin평판요소는 전단강성을 실제보다 강하게 평가하기 때문에 얇은 평판에서는 요소의 기능을 발휘하지 못한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 4절점 요소에 5개의 비적합변위모드를 추가함으로써 개선된 결과를 얻을 수 있었으며, 개발된 요소는 유사영에너지모드를 발생시키지 않는다. 아주 얇은 평판에서도 요소의 형상과 무관하게 전단구속현상을 극복하였으며, 예제 해석으로부터 변위의 신속한 수렴성과 단면력의 분포가 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 요소형상비가 매우 큰 경우에도 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
The standard numerical approximation of structural displacement field leads to the thickness-wise transverse shear stress distributions which are quite different from the exact ones. To overcome this inherent problem, an effective and reliable post-processing method is presented based on the strain recovery and the stress equilibrium, particularly for functionally graded cylindrical and conical elastic panels. The present method is developed in the framework of locking-free 2-D natural element method. Through the recovery of displacement component-wise derivatives, the element-wise discontinuous in-plane strain distributions are enhanced to be globally continuous and smoothened. And, using the continuous in-plane strains, the troublesome poor transverse shear stress distributions are enhanced through the thickness-wise integration of static equilibrium equations. The validity of present post-processing method is verified through the comparison with the reference solutions. In addition, the comparative experiments are also performed to investigate the difference between the present method and other available post-processing methods. The numerical results confirm that the present method provides the accurate transverse shear stress distributions which are consistent with the reference solutions and much better than other available methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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