A C 1 ‐continuous time domain spectral finite element for wave propagation analysis of Euler‐Bernoulli beams

2020 ◽  
Author(s):  
Santosh Kapuria ◽  
Mayank Jain
Keyword(s):  
Finite Element ◽  
Wave Propagation ◽  
Time Domain ◽  
Continuous Time ◽  
Propagation Analysis ◽  
Spectral Finite Element

scholarly journals Time domain spectral finite element methods for the simulation of wave propagation in composite layered structures with active piezoelectric sensors

2016 ◽  
Author(s):  
Χριστόφορος Ρεκατσίνας
Keyword(s):  
Finite Element ◽  
Wave Propagation ◽  
Finite Element Methods ◽  
Time Domain ◽  
Layered Structures ◽  
Piezoelectric Sensors ◽  
Spectral Finite Element

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη καινοτόμων θεωριών διάτμησης για την ανάλυση διαστρωματώσεων από σύνθετα υλικά, καθώς και μεθόδων πεπερασμένων στοιχείων ικανών να προβλέπουν την κυματική διάδοση στο εσωτερικό δοκών και πλακών από σύνθετα υλικά, η διέγερση των οποίων έχει προέλθει από την φυσική παρουσία ενεργών πιεζοηλεκτρικών αισθητηρίων. Η παρούσα διατριβή μπορεί να υποκατηγοριοποιηθεί σε τρεις επιμέρους τομείς. Ο πρώτος από τους οποίους έχει ως θέμα την ανάπτυξη θεωριών ανώτερης τάξης, μέσω των οποίων μπορεί να προσομοιωθεί επιτυχώς η κυματική διάδοση σε πλάκες κατασκευασμένες από σύνθετα υλικά, όπως επίσης σε πλάκες με έντονα ανομοιογενής στρώσεις τύπου “sandwich”. Το δεύτερο κομμάτι της διατριβής παρουσιάζει τη μεθοδολογία για την ανάπτυξη φασματικών πεπερασμένων στοιχείων στο πεδίο του χρόνου, ενώ το τρίτο και τελευταίο κομμάτι ασχολείται με τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν καθ’ όλην τη διάρκεια της διδακτορικής διατριβής, με απώτερο σκοπό την επιβεβαίωση των καινοτόμων στοιχείων της διατριβής μέσω της ταυτοποίησης των αποτελεσμάτων.Οι κινηματικές υποθέσεις που αναπτύχθηκαν με σκοπό την προσομοίωση της κυματικής διάδοσης σε σύνθετες κατασκευές, εμπνεύστηκαν από τη λύση της εξίσωσης διάδοσης κύματος των Rayleigh-Lamb, οποία προϋποθέτει ότι οι μετατοπίσεις ισούνται με το άθροισμα ημιτόνων και συνημίτονων. Στη συνέχεια με τη βοήθεια του αναπτύγματος Taylor εισήχθησαν μη-γραμμικοί όροι στην αξονική και εγκάρσια μετατόπιση, μια καινοτομία που ευνοεί την έγκυρη πρόβλεψη των συμμετρικών και αντισυμμετρικών τύπου κυμάτων. Στη συνέχεια αφού οι όροι τρίτης τάξης αποδείχθηκαν αρκετοί για την πρόβλεψη της κυματικής διάδοσης σε πλάκες και δοκούς από σύνθετα υλικά, προτάθηκε μια καινούργια θεωρία ανώτερης τάξης, στην οποία χρησιμοποιούνται ως συναρτήσεις ενδοπαρεμβολής Ερμιτιανά πολυώνυμα τρίτης τάξης. Η συγκεκριμένη θεωρία προϋποθέτει ως βαθμούς ελευθερίας τις μετατοπίσεις και αντίστοιχες περιστροφές τους, των πάνω και κάτω διακριτών επιφανειών της σύνθετης στρώσης. Μια μοναδική ιδιότητα η οποία επιτρέπει την επέκταση από θεωρία μονής στρώσης σε θεωρία διακριτών στρωμάτων, δίνοντας τη δυνατότητα προσομοίωσης πολύπλοκων διαστρωματώσεων, καθώς και την ένωση τομέων της κατασκευής με διαφορετικό αριθμό διακριτών στρωμάτων. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η παρουσία ενός πιεζοηλεκτρικού διεγέρτη περιορισμένο σε μια διακριτή επιφάνεια της κατασκευής, κατά συνέπεια με δεύτερη διακριτή στρώση πρέπει να εισαχθεί μόνο σε αυτή τη διακριτή επιφάνεια.Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής παρουσιάζεται η ενοποίηση των προαναφερθέντων θεριών με την ανάπτυξη φασματικών πεπερασμένων στοιχείων στο πεδίο του χρόνου. Τα χρονικά φασματικά πεπερασμένα στοιχεία έχουν ως βάση πολυωνυμικές συναρτήσεις μορφής ανώτερης τάξης τύπου Lagrange. Η ανώτερη τάξη των συναρτήσεων μορφής επιτρέπει τη δημιουργία πολύκομβων φασματικών πεπερασμένων στοιχείων, δίνοντας την ευχέρεια προσομοίωσης υψίσυχνων σημάτων με πολύ μικρό μήκος κύματος με τη χρήση πολύ λίγων φασματικών πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον οι κόμβοι των φασματικών πεπερασμένων στοιχείων συμπίπτουν με τα σημεία ολοκλήρωσης των Gauss-Lobbato-Legendre, βοηθώντας στη σύνθεση συνεπών διαγώνιων μητρώων μάζας, επιτρέποντας την γρήγορη λύση του ηλεκτρομηχανικού συστήματος με τη μέθοδο κεντρικών διαφορών άμεσης ολοκλήρωσης.Τελειώνοντας, το τρίτο επιμέρους κομμάτι της διατριβής ασχολείται με τα δοκίμια πολύστρωτων δοκών και πλακών (από ίνες άνθρακα σε εποξειδική ρητίνη) που κατασκευάστηκαν στη παρούσα διατριβή, και με τα πειράματα που διεξήχθησαν σε αυτά με σκοπό την πειραματική επαλήθευση και πιστοποίηση των αριθμητικών αποτελεσμάτων.

Wave Propagation Analysis in Anisotropic Plate Using Wavelet Spectral Element Approach

2008 ◽  
Vol 75 (1) ◽  
Author(s):  
Mira Mitra ◽  
S. Gopalakrishnan
Keyword(s):  
Finite Element ◽  
Wave Propagation ◽  
Differential Equations ◽  
Laminated Composite ◽  
Composite Plates ◽  
Spectral Element ◽  
Wave Number ◽  
Frequency Wave ◽  
Propagation Analysis ◽  
Spectral Finite Element

In this paper, a 2D wavelet-based spectral finite element (WSFE) is developed for a anisotropic laminated composite plate to study wave propagation. Spectral element model captures the exact inertial distribution as the governing partial differential equations (PDEs) are solved exactly in the transformed frequency-wave-number domain. Thus, the method results in large computational savings compared to conventional finite element (FE) modeling, particularly for wave propagation analysis. In this approach, first, Daubechies scaling function approximation is used in both time and one spatial dimensions to reduce the coupled PDEs to a set of ordinary differential equations (ODEs). Similar to the conventional fast Fourier transform (FFT) based spectral finite element (FSFE), the frequency-dependent wave characteristics can also be extracted directly from the present formulation. However, most importantly, the use of localized basis functions in the present 2D WSFE method circumvents several limitations of the corresponding 2D FSFE technique. Here, the formulated element is used to study wave propagation in laminated composite plates with different ply orientations, both in time and frequency domains.

Spectral finite element method for wave propagation analysis in smart composite beams containing delamination

2020 ◽  
Vol 92 (3) ◽  
pp. 440-451
Author(s):  
Namita Nanda
Keyword(s):  
Finite Element ◽  
Wave Propagation ◽  
Composite Beam ◽  
Spectral Element ◽  
Equation Of Motion ◽  
Composite Beams ◽  
Piezoelectric Composite ◽  
Content Type ◽  
Propagation Analysis ◽  
Spectral Finite Element

Purpose The purpose of the study is to present a frequency domain spectral finite element model (SFEM) based on fast Fourier transform (FFT) for wave propagation analysis of smart laminated composite beams with embedded delamination. For generating and sensing high-frequency elastic waves in composite beams, piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT) are used because they can act as both actuators and sensors. The present model is used to investigate the effects of parametric variation of delamination configuration on the propagation of fundamental anti-symmetric wave mode in piezoelectric composite beams. Design/methodology/approach The spectral element is derived from the exact solution of the governing equation of motion in frequency domain, obtained through fast Fourier transformation of the time domain equation. The beam is divided into two sublaminates (delamination region) and two base laminates (integral regions). The delamination region is modeled by assuming constant and continuous cross-sectional rotation at the interfaces between the base laminate and sublaminates. The governing differential equation of motion for delaminated composite beam with piezoelectric lamina is obtained using Hamilton’s principle by introducing an electrical potential function. Findings A detailed study of the wave response at the sensor shows that the A0 mode can be used for delamination detection in a wide region and is more suitable for detecting small delamination. It is observed that the amplitude and time of arrival of the reflected A0 wave from a delamination are strongly dependent on the size, position of the delamination and the stacking sequence. The degraded material properties because of the loss of stiffness and density in damaged area differently alter the S0 and A0 wave response and the group speed. The present method provides a potential technique for researchers to accurately model delaminations in piezoelectric composite beam structures. The delamination position can be identified if the time of flight of a reflected wave from delamination and the wave propagation speed of A0 (or S0) mode is known. Originality/value Spectral finite element modeling of delaminated composite beams with piezoelectric layers has not been reported in the literature yet. The spectral element developed is validated by comparing the present results with those available in the literature. The spectral element developed is then used to investigate the wave propagation characteristics and interaction with delamination in the piezoelectric composite beam.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document