2-D constitutive equations for orthotropic Cosserat type laminated shells in finite element analysis
Abstrakt
We propose 2-D Cosserat type orthotropic constitutive equations for laminated shells for the purpose of initial failure estimation in a laminate layer. We use nonlinear 6-parameter shell theory with asymmetric membrane strain measures and Cosserat kinematics as the framework. This theory is specially dedicated to the analysis of irregular shells, inter alia, with orthogonal intersections, since it takes into account the drilling rotation degree of freedom. Therefore, the shell is endowed naturally with 6 degrees of freedom: 3 translations and 3 rotations. The proposed equations are formulated from the statement of the generalized Cosserat plane stress with additional transverse shear components and integrated over the shell's thickness using the equivalent single layer approach (ESL). The resulting formulae are implemented into the own Fortran code enabling nonlinear shell analysis. Some numerical results are presented to show the performance of the proposed approach.
Cytowania
-
8
CrossRef
-
0
Web of Science
-
8
Scopus
Autorzy (4)
Cytuj jako
Pełna treść
- Wersja publikacji
- Accepted albo Published Version
- Licencja
- otwiera się w nowej karcie
Słowa kluczowe
Informacje szczegółowe
- Kategoria:
- Publikacja w czasopiśmie
- Typ:
- artykuł w czasopiśmie wyróżnionym w JCR
- Opublikowano w:
-
COMPOSITES PART B-ENGINEERING
nr 165,
strony 335 - 353,
ISSN: 1359-8368 - Język:
- angielski
- Rok wydania:
- 2019
- Opis bibliograficzny:
- Chróścielewski J., Sabik A., Sobczyk B., Witkowski W.: 2-D constitutive equations for orthotropic Cosserat type laminated shells in finite element analysis// COMPOSITES PART B-ENGINEERING. -Vol. 165, (2019), s.335-353
- DOI:
- Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.1016/j.compositesb.2018.11.101
- Bibliografia: test
-
- Singh DB, Singh BN. New higher order shear deformation theories for free vibration and buckling analysis of laminated and braided composite plates. Int J Mech Sci 2017;131- 132:265-77. doi:10.1016/j.ijmecsci.2017.06.053. otwiera się w nowej karcie
- Pagani A, Carrera E. Large-deflection and post-buckling analyses of laminated composite beams by Carrera Unified Formulation. Compos Struct 2017;170:40-52. doi:10.1016/j.compstruct.2017.03.008. otwiera się w nowej karcie
- Teter A, Mania RJ, Kolakowski Z. Non-linear stability and load-carrying capacity of thin- walled laminated columns in aspects of coupled buckling and coupled stiffness submatrix. otwiera się w nowej karcie
- Compos Struct 2018;192:72-81. doi:10.1016/j.compstruct.2018.02.070. otwiera się w nowej karcie
- Hasim KA. Isogeometric static analysis of laminated composite plane beams by using refined zigzag theory. Compos Struct 2018;186:365-74. doi:10.1016/j.compstruct.2017.12.033. otwiera się w nowej karcie
- Ou X, Zhang X, Zhang R, Yao X, Han Q. Weak form quadrature element analysis on nonlinear bifurcation and post-buckling of cylindrical composite laminates. Compos Struct 2018;188:266-77. doi:10.1016/j.compstruct.2018.01.007. otwiera się w nowej karcie
- Wan L, Yang D, Ismail Y, Sheng Y. 3D particle models for composite laminates with anisotropic elasticity. Compos Part B Eng 2018;149:110-21. doi:10.1016/j.compositesb.2018.05.022. otwiera się w nowej karcie
- Liao BB, Jia LY. Finite element analysis of dynamic responses of composite pressure vessels under low velocity impact by using a three-dimensional laminated media model. Thin-Walled Struct 2018;129:488-501. doi:10.1016/j.tws.2018.04.023. otwiera się w nowej karcie
- Arruda MRT, Garrido M, Castro LM., Ferreira AJM, Correia JR. Numerical modelling of the creep behaviour of GFRP sandwich panels using the Carrera Unified Formulation and Composite Creep Modelling. Compos Struct 2018;183:103-13. doi:10.1016/j.compstruct.2017.01.074. otwiera się w nowej karcie
- Tornabene F, Fantuzzi N, Bacciocchi M. Free vibrations of free-form doubly-curved shells made of functionally graded materials using higher-order equivalent single layer theories. otwiera się w nowej karcie
- Compos Part B Eng 2014;67:490-509. doi:10.1016/j.compositesb.2014.08.012. otwiera się w nowej karcie
- Fazzolari FA. Reissner's Mixed Variational Theorem and variable kinematics in the modelling of laminated composite and FGM doubly-curved shells. Compos Part B Eng 2016;89:408-23. doi:10.1016/j.compositesb.2015.11.031. otwiera się w nowej karcie
- Chróścielewski J, Miśkiewicz M, Pyrzowski Ł, Sobczyk B, Wilde K. A novel sandwich footbridge -Practical application of laminated composites in bridge design and in situ measurements of static response. Compos Part B Eng 2017;126:153-61. doi:10.1016/j.compositesb.2017.06.009. otwiera się w nowej karcie
- Chróścielewski J, Miśkiewicz M, Pyrzowski Ł, Rucka M, Sobczyk B, Wilde K. Modal properties identification of a novel sandwich footbridge -Comparison of measured and FEA. Compos Part B Eng 2018. doi:10.1016/j.compositesb.2018.06.016. otwiera się w nowej karcie
- Yademellat H, Nikbakht A, Saghafi H, Sadighi M. Experimental and numerical investigation of low velocity impact on electrospun nanofiber modified composite laminates. Compos Struct 2018;200:507-14. doi:10.1016/j.compstruct.2018.05.146. otwiera się w nowej karcie
- Li Y, Pimenta S, Singgih J, Nothdurfter S, Schuffenhauer K. Experimental investigation of randomly-oriented tow-based discontinuous composites and their equivalent laminates. otwiera się w nowej karcie
- Compos Part A Appl Sci Manuf 2017;102:64-75. doi:10.1016/j.compositesa.2017.06.031. otwiera się w nowej karcie
- Kharghani N, Guedes Soares C. Experimental, numerical and analytical study of bending of rectangular composite laminates. Eur J Mech -A/Solids 2018;72:155-74. doi:10.1016/j.euromechsol.2018.05.007. otwiera się w nowej karcie
- Tan W, Naya F, Yang L, Chang T, Falzon BG, Zhan L, et al. The role of interfacial properties on the intralaminar and interlaminar damage behaviour of unidirectional composite laminates: Experimental characterization and multiscale modelling. Compos Part B Eng 2018;138:206-21. doi:10.1016/j.compositesb.2017.11.043. otwiera się w nowej karcie
- Kaddour AS, Hinton MJ, Soden PD. A comparison of the predictive capabilities of current failure theories for composite laminates: additional contributions. Compos Sci Technol 2004;64:449-76. doi:10.1016/S0266-3538(03)00226-4. otwiera się w nowej karcie
- Hinton M., Kaddour A., Soden P. A further assessment of the predictive capabilities of current failure theories for composite laminates: comparison with experimental evidence. otwiera się w nowej karcie
- Compos Sci Technol 2004;64:549-88. doi:10.1016/S0266-3538(03)00227-6. otwiera się w nowej karcie
- Soden P., Kaddour A., Hinton M. Recommendations for designers and researchers resulting from the world-wide failure exercise. Compos Sci Technol 2004;64:589-604. doi:10.1016/S0266-3538(03)00228-8. otwiera się w nowej karcie
- Sabik A. Progressive failure analysis of laminates in the framework of 6-field non-linear shell theory. Compos Struct 2018; 200: 195-203. otwiera się w nowej karcie
- Koh R, Madsen B. Strength failure criteria analysis for a flax fibre reinforced composite. Mech Mater 2018;124:26-32. doi:10.1016/j.mechmat.2018.05.005. otwiera się w nowej karcie
- Gu J, Chen P. Some modifications of Hashin's failure criteria for unidirectional composite materials. Compos Struct 2017;182:143-52. doi:10.1016/j.compstruct.2017.09.011. otwiera się w nowej karcie
- Thomson DM, Cui H, Erice B, Hoffmann J, Wiegand J, Petrinic N. Experimental and numerical study of strain-rate effects on the IFF fracture angle using a new efficient implementation of Puck's criterion. Compos Struct 2017;181:325-35. doi:10.1016/j.compstruct.2017.08.084. otwiera się w nowej karcie
- Gu J, Chen P. Extension of Puck's inter fibre fracture (IFF) criteria for UD composites. otwiera się w nowej karcie
- Compos Sci Technol 2018;162:79-85. doi:10.1016/j.compscitech.2018.04.019. otwiera się w nowej karcie
- Obert E, Daghia F, Ladevèze P, Ballere L. Micro and meso modeling of woven composites: Transverse cracking kinetics and homogenization. Compos Struct 2014;117:212-21. doi:10.1016/j.compstruct.2014.06.035. otwiera się w nowej karcie
- Wang B, Fang G, Liu S, Fu M, Liang J. Progressive damage analysis of 3D braided composites using FFT-based method. Compos Struct 2018;192:255-63. doi:10.1016/j.compstruct.2018.02.040. otwiera się w nowej karcie
- Rozylo P, Debski H, Kubiak T. A model of low-velocity impact damage of composite plates subjected to Compression-After-Impact (CAI) testing. Compos Struct 2017;181:158-70. doi:10.1016/j.compstruct.2017.08.097. otwiera się w nowej karcie
- Chróścielewski J, Makowski J, Stumpf H. Genuinely resultant shell finite elements accounting for geometric and material non-linearity. Int J Numer Meth Eng 1992; 35: 63- 94. otwiera się w nowej karcie
- Chróścielewski J, Makowski J, Stumpf H. Finite element analysis of smooth, folded and multi-shell structures. Comp. Meth. Appl. Mech. Engng 1997; 141: 1-46. otwiera się w nowej karcie
- Altenbach J, Altenbach H, Eremeyev VA. On generalized Cosserat-type theories of plates and shells: a short review and bibliography. Archive of Applied Mechanics, 2010;80:73-92. otwiera się w nowej karcie
- Miśkiewicz M. Structural response of existing spatial truss roof construction based on Cosserat rod theory. Contin Mech Thermodyn 2018. doi:10.1007/s00161-018-0660-8. otwiera się w nowej karcie
- Altenbach H, Eremeyev VA. Actual developments in the nonlinear shell theory-state of the art and new applications of the six-parameter shell theory. Shell structures: Theory and applications vol. 3, 2014:3-12. otwiera się w nowej karcie
- Eremeyev VA, Lebedev LP, Cloud MJ. The Rayleigh and Courant variational principles in the six-parameter shell theory. Mathematics and Mechanics of Solids, 2015; 20(7): 806- 822. otwiera się w nowej karcie
- Bîrsan M, Neff P. Existence of minimizers in the geometrically non-linear 6-parameter resultant shell theory with drilling rotations, Mathematics and Mechanics of Solids 2014;19(4):376-397. otwiera się w nowej karcie
- Chróścielewski J, Sabik A, Sobczyk B, Witkowski W. Nonlinear FEM 2D failure onset prediction of composite shells based on 6-parameter shell theory. Thin-Walled Struct 2016;105:207-19. otwiera się w nowej karcie
- Burzyński S, Chróścielewski J, Witkowski W. Geometrically nonlinear FEM analysis of 6- parameter resultant shell theory based on 2-D Cosserat constitutive model. ZAMM -J Appl Math Mech 2016;96:191-204. otwiera się w nowej karcie
- Burzyński S, Chróścielewski J, Daszkiewicz K, Witkowski W. Geometrically nonlinear FEM analysis of FGM shells based on neutral physical surface approach in 6-parameter shell theory. Compos Part B Eng 2016;107:203-13. otwiera się w nowej karcie
- Burzyński S, Chróścielewski J, Daszkiewicz K, Witkowski W. Elastoplastic nonlinear FEM analysis of FGM shells of Cosserat type. Compos Part B Eng 2018. doi:10.1016/j.compositesb.2018.07.055. otwiera się w nowej karcie
- Eremeyev VA, Pietraszkiewicz W. Local symmetry group in the general theory of elastic shells. Journal of Elasticity 2006;85(2):125-152. otwiera się w nowej karcie
- Libai A, Simmonds JG. The Nonlinear Theory of Elastic Shells, 2nd ed. 1998, Cambridge University Press, Cambridge otwiera się w nowej karcie
- Toupin RA. Theories of Elasticity with Couple-stress, Archive for Rational Mechanics and Analysis 1964;17(2):85-112. otwiera się w nowej karcie
- Eremeyev VA, Lebedev LP, Altenbach H. Foundations of Micropolar Mechanics, 2013, Springer. otwiera się w nowej karcie
- Pietraszkiewicz W. Eremeyev VA, On vectorially parameterized natural strain measures of the non-linear Cosserat continuum. International Journal of Solids and Structures, 2009;46(11):2477-2480 otwiera się w nowej karcie
- Stuelpnagel J. On the parameterization of the three-dimensional rotation group. SIAM Review 1964;6:422-430. otwiera się w nowej karcie
- Chróścielewski J, Kreja I, Sabik A, Witkowski W. Modeling of composite shells in 6- parameter nonlinear theory with drilling degree of freedom, Mech. Adv. Mater. Struct. 2011;18:403-419. otwiera się w nowej karcie
- Nakamura S, Benedict R, Lakes R. Finite element method for orthotropic micropolar elasticity. Int. J. Engng. Sci. Eng. 1984;22:319-330.
- Fantuzzi N, Leonetti L, Trovalusci P, Tornabene F. Some Novel Numerical Applications of Cosserat Continua. International Journal of Computational Methods 2018; Vol. 15, No. 3, 1850054 (38 pages). otwiera się w nowej karcie
- Tornabene F, Fantuzzi N, Bacciocchi M. Mechanical behaviour of composite Cosserat solids in elastic problems with holes and discontinuities. Composite Structures 2017; 179:468-481. otwiera się w nowej karcie
- Kaw AK. Mechanics of Composite Materials, Second edition. Boca Raton, London, New York: Taylor & Francis Group; 2006.
- Reddy JN. Mechanics of laminated composite plates and shells. Theory and analysis. 2 th edition. 2004, CRC Press. otwiera się w nowej karcie
- Jeong J, Ramezani H, Münch I, Neff P. A numerical study for linear isotropic Cosserat elasticity with conformally invariant curvature, Z. Angew. Math. Mech. 2009;89(7):552 - 569 (2009) otwiera się w nowej karcie
- Li X, Yu K, Han J, Song H, Zhao R. Buckling and vibro-acoustic response of the clamped composite laminated plate in thermal environment. Int J Mech Sci 2016;119:370-82. doi:10.1016/j.ijmecsci.2016.10.021 otwiera się w nowej karcie
- Sander O, Neff P, Bîrsan M. Numerical treatment of a geometrically nonlinear planar Cosserat shell model, arXiv:1412.3668v1 [math.NA] 11 Dec 2014. otwiera się w nowej karcie
- Hashin Z. Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites. J Appl Mech 1980;47:329- 34. doi:10.1115/1.3153664. otwiera się w nowej karcie
- Yuan-Sheng C. Physical interpretation of Hashin's criterion of fatigue failure under multiaxial stress. Eng Fract Mech 1986;24:165-7. doi:10.1016/0013-7944(86)90048-2. otwiera się w nowej karcie
- Wang FS, Yu XS, Jia SQ, Li P. Experimental and numerical study on residual strength of aircraft carbon/epoxy composite after lightning strike. Aerosp Sci Technol 2018;75:304- 14. doi:10.1016/j.ast.2018.01.029. otwiera się w nowej karcie
- Bsisu KA-D, Hussein HH, Sargand SM. The Use of Hashin Damage Criteria, CFRP- Concrete Interface and Concrete Damage Plasticity Models in 3D Finite Element Modeling of Retrofitted Reinforced Concrete Beams with CFRP Sheets. Arab J Sci Eng 2017;42:1171-84. doi:10.1007/s13369-016-2356-3. otwiera się w nowej karcie
- Yu G, Ren Y, Zhang T, Xiao W, Jiang H. Hashin Failure Theory Based Damage Assessment Methodology of Composite Tidal Turbine Blades and Implications for the Blade Design. China Ocean Eng 2018;32:216-25. doi:10.1007/s13344-018-0023-z. otwiera się w nowej karcie
- Gu J, Chen P. Some modifications of Hashin's failure criteria for unidirectional composite materials. Compos Struct 2017;182:143-52. doi:10.1016/j.compstruct.2017.09.011. otwiera się w nowej karcie
- Duarte APC, Díaz Sáez A, Silvestre N. Comparative study between XFEM and Hashin damage criterion applied to failure of composites. Thin-Walled Struct 2017;115:277-88. doi:10.1016/j.tws.2017.02.020. otwiera się w nowej karcie
- Pietraszkiewicz W, Konopińska V. Drilling couples and refined constitutive equations in the resultant geometrically non-linear theory of elastic shells. Int J Solids Struct 2014;51:2133-43. doi:10.1016/j.ijsolstr.2014.02.022. otwiera się w nowej karcie
- Stander N, Matzenmiller A, Ramm E. An assessment of assumed strain methods in finite rotation shell analysis, Engineering Computations 1989;6:58-66. otwiera się w nowej karcie
- Klinkel S, Gruttmann F, Wagner W. A continuum based three-dimensional shell element for laminated structures, Computers and Structures 1999;71:43-62. otwiera się w nowej karcie
- Sze KY, Liu XH, Lo SH. Popular benchmark problems for geometric nonlinear analysis of shells, Fin. Elem. Anal. Des. 2004;40:1151-1569. otwiera się w nowej karcie
- Arciniega RA, Reddy JN.,Tensor-based finite element formulation for geometrically nonlinear analysis of shell structures, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 2007;196: 1048-1073. otwiera się w nowej karcie
- Wiśniewski K. Finite Rotation Shells. Barcelona: Springer, 2010. otwiera się w nowej karcie
- Padhi GS, Shenoi RA, Moy SSJ, Hawkins GL. Progressive failure and ultimate collapse of laminated composite plates in bending, Compos Struct 1998; 40: 277-291. otwiera się w nowej karcie
- Moy SSJ, Shenoi RA, Allen HG. Strength and stiffness of fibre-reinforced plastic plates, Proc. Instn Cio Engrs Structs & Bldgs 1996; 116: 204-220. otwiera się w nowej karcie
- Davila CG, Camanho PP, Rose CA. Failure Criteria for FRP Laminates. J. Compos. Mater 2005; 39: 323-345. otwiera się w nowej karcie
- Knight NF, Rankin CC, Brogan FA. STAGS computational procedure for progressive failure analysis of laminated composite structures. International Journal of Non-linear Mechanics 2002;37: 833-849. otwiera się w nowej karcie
- Sleight DW. Progressive failure analysis methodology for laminated composite structures, NASA/TP-1999-209107. otwiera się w nowej karcie
- Sobczyk B. FEM analysis of composite materials failure in nonlinear six field shell theory, PhD thesis, Gdańsk University of Technology, 2017.
- Gliszczyński A, Kubiak T. Progressive failure analysis of thin-walled composite columns subjected to uniaxial compression. Composite Structures 2017;169:52-61. otwiera się w nowej karcie
- Chróścielewski J, Sabik A, Sobczyk B, Witkowski W. Analysis of laminates with the use of 2-D Cosserat constitutive model, 41st Solid Mechanics Conference, August 27-31, 2018 otwiera się w nowej karcie
- Warsaw, Poland, http://solmech2018.ippt.pan.pl/abstracts/0289.pdf
- Źródła finansowania:
- Weryfikacja:
- Politechnika Gdańska
wyświetlono 512 razy