Plate and Shell Theory

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  • 8/19/2019 Plate and Shell Theory

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    Plate and Shell Elements

    Plate Theory 

    ∙ Flat plate

    ∙ Lateral loading

     Applications:

    ∙ Shear walls

    ∙ Floor panels

    ∙ Bending behavior dominates   ∙Shelves

    ∙ …

    Forces an   Moments  Act ng on t e P ate:

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    Stresses:

    Relations 

    Between 

    Forces 

    and  

    Stresses 

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    Stresses:

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    Thin Plate Theory ( Kirchhoff  Plate Theory)

     Assumptions (similar 

     to

     those

     in

     the

     beam

     theory):

    A straight line along the normal to the mid surface remains straight and normal to the 

    deflected mid surface after loading, that is, these is no transverse shear deformation:

    Displacement:

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    Strains:

    Note that there is no stretch of  the mid surface 

    due to the deflection (bending) of  the plate.

    Stresses (plane stress state):

    or Main variable: deflection w=w(x,y)

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    Governing Equation:

    ,

    Compare the 1‐D equation for straight beam:

    Shear forces and bending moments:

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    Boundary 

    Conditions:

    where n is the normal  direction of  the boundary. Note that  the given values in the 

    boundary conditions shown above can be non‐zero values as well.

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    Examples:

      , 

    concentrated force P at the center C.

    The maximum deflections  from analytical solutions are given in the 

    following table

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    Thick Plate Theory (Mindlin Plate Theory)

      e  c ness  o   a p a e  s no   n , e.g.,

    (L = a characteristic dimension of  the  plate), then the thick   plate theory by Mindlin should 

    be applied. This theory accounts for the angle changes within a cross section, that is,

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    New 

    relations:

    Note that if  we imposed the conditions (or 

    assumptions) that

    then we can recover the relations applied in 

    the thin plate theory.

    Main variables:

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    Plate Elements

    Kirchhoff  Plate Elements:

    4‐Node Quadrilateral  Element 

    DOF at each node:

    On each element, the deflection w(x,y) is

    represented by

    where Ni, Nxi and  Nyi  are shape functions.

    The 

    stiffness 

    matrix 

    is 

    still 

    of  

    the 

    form

    where 

    is 

    the 

    strain‐

    displacement 

    matrix, 

    and 

    the 

    stress 

    strain 

    matrix.

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    Mindlin Plate 

    Elements:

    ‐ ‐ 

    DOF 

    at 

    each 

    node:

    On each element:

    ∙ Three independent fields.

    ∙ Deflection w(x,y) is linear for Q4, and quadratic for Q8.

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    Example:

     ANSYS 4‐node quadrilateral   plate element.

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    Shell 

    Elements

    Shells 

     – Thin 

    structures 

    witch 

    span 

    over 

    curved 

    surfaces.

    Examples:

    ∙ Sea shell, egg shell (the wonder of  the nature);

    ∙ Containers, pipes, tanks;

    ∙ Car bodies;

      ,  ,  .

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    Forces in shells:

    Membrane forces + Bending Moments (plates: bending only)

    Exam le:  A C lindrical  Container.

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    Shell Elements:

    Similarity: bar + simple beam element => general beam element.

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    Buckling coefficients for simply supported rectangular plates with an eccentric circular hole 

    in horizontal direction.

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    Buckling coefficients for simply supported rectangular plates with an eccentric circular hole 

    in horizontal direction.