Une formulation mixte-hybride naturelle robuste pour la modélisation des coques courbes isotropes
Keywords:
finite element, shell, hybrid/mixed, degenerated solid, reissner-mindlin, natural formulationAbstract
This work deals with a natural hybrid-mixed variational formulation for the linear analysis of isotropic and homogeneous curved shells. The model NHMiSP (Natural Hybrid- Mixed with Shear Projection) is based on the 3D-degenerated solid approach. Il can be used to simulate arbitrary shells presenting a warpage. The membrane model is based on the Pian’s natural approach. The bending model is formulated using the classical Hellinger- Reissner principle. Two bending equilibrium equations are satisfied at the variational level, allowing to get a partially hybrid transverse shear model. The shear locking problem is avoided using the ANS method (Assumed Natural Strains). The derived finite element model (4-node quadrilateral) is validated using some standard shell tests.
Downloads
References
Ahmad S., Irons B.M., Zienkiewicz O.C., « Analysis of thick and thin shell structures by
curved finite elements », Int. Jou. Num. Meth. Eng., 2, 1970, p. 419-451.
Allman D.J., « A compatible triangular element including vertex rotations for plane
elasticity », Comput. and Structures, 19, 1-8, 1984.
Ayad R., Eléments finis de plaque et coque en formulation mixte avec projection en
cisaillement, Thèse de Doctorat, UTC Compiègne, Mars 1993.
Ayad R., Dhatt G. et Batoz J.L., « A new hybrid-mixed variational approach for Reissner-
Mindlin plates. The MiSP model », Int. Jou. Num. Meth. Eng., vol. 42, 1998, p. 1149-
Ayad R., Batoz J.L., Dhatt G., « Formulation du modèle MiSP Coque Tridimensionnel
Dégénéré », Revue Européenne des Eléments Finis, vol. 11, n° 6, 2002, p. 719-747.
Ayad R., Contribution à la modélisation numérique pour l’analyse des solides et des
structures, et pour la mise en forme des fluides non newtoniens, Application à des
matériaux d’emballage, Mémoire d’Habilitation à diriger les recherches, Université de
Reims Champagne-Ardenne, France, 2002.
Bathe K.J, Dvorkin E.N, « A formulation of general shell elements - the use of mixed
interpolation of tensorial components », Int. Jou. Num. Meth. Eng., 22, 1986, p. 697-722.
Bathe K.J., Finite element procedures, Prentice-Hall, 1996.
Batoz J.L., Bathe K.J., Ho L.W, « A study of three-node triangular plate bending elements »,
Int. Jou. Num. Meth. Eng, vol. 15, 1980, p. 1771-1812.
Batoz J.L. et Ben Tahar M., « Evaluation of a new thin plate quadrilateral element », Int. Jou.
Num. Meth. Eng, vol. 18, n° 11, 1982, p. 1655-1678.
Batoz J.L., Dhatt G., Modélisation des structures par éléments finis, Volume 1 : Solides
élastiques, Hermès Ed., Paris 1990.
Batoz J.L., Triki S., Développement d’un élément fini de poutre vrillée, Rapport interne,
UTC/LG2MS/MNM, octobre 1991.
Batoz J.L., Dhatt G., Modélisation des structures par éléments finis, Vol. 3: Coques,
Eds Hermès, Paris 1992.
Bergan P.G., Felippa C.A., « A triangular membrane element with rotational degrees of
freedom », Comp. Meth. App. Mech. Eng., 50, 1985, p. 25-69.
Boisse P., Daniel J.L., Gelin J.C., « A new class of three node and four node shell elements
for the finite inelastic strain analysis. Applications in sheet metal forming », in New
Advances in Computational Structural Mechanics, Eds P. Ladevèze & O.C. Zienkiewicz,
Elsevier, 1992.
Chatelain J., Analyse non linéaire des coques minces isotropes et composites par éléments
finis quadrilatéraux, Thèse de Doctorat, Université de Technologie de Compiègne, 1987.
Cofer W.F., Will K.M., « A three dimensional shell solid transition element for general
nonlinear analysis », Comput. Struct., vol. 38, n° 4, 1991, p. 449-462.
Cook R.D, Malkus D.S, Plesha M.E., Concepts and applications of finite element analysis,
e
Ed., J.Wiley, 1989.
Crisfield M., Finite elements and solution procedures for structural analysis, vol. 1: Linear
analysis, Pineridge press, 1986.
Dhatt G.S., « An efficient triangular shell element », AIAA jou., vol. 8, 1970, p. 2100-2102.
Dvorkin E.N., Bathe K.J., « A continuum mechanics based four node shell element for
general non-linear analysis », Eng. Comput., vol. 1, 1984, p. 77-88.
Fezans G., Analyse linéaire et non linéaire géométrique des coques par éléments finis
isoparamétriques tridimensionnels dégénérés, Thèse de Doctorat, ENSAE Toulouse,
Flugge W., Sresses in shells, Springer Verla, 1960.
Greene B.E., Strome R., Weikel R.C., « Application of the stiffness method to the analysis of
shell structures », in Proc. Aviation Conference of ASME, Los Angeles, CA, March 1961.
Hughes T.J., Liu W.K., « Nonlinear finite element analysis of shells: Part I: « Three
dimensional shells », Com. Meth. App. Mec. Eng., 26, 1981, p. 331-362, Part II: « Two
dimensional shells », Com. Meth. App. Mec. Eng, 27, 1981, p. 167-181.
Hughes T., The finite element method - Linear static and dynamic finite element analysis,
Dover Publishers, New York, 2000.
Irons B., « The semi-loof shell elements », In Finite Elements for Thin shells and Curved
Members, Eds. Ashwell et al., J. Wiley, 1976, p. 197-222.
Kerber T., « Revue des éléments finis de coques au travers des phénomènes de verrouillage et
de leurs remèdes », La Recherche Aérospatiale, n° 3, 1990, p. 45-79.
Lardeur P., Développement et évaluation de deux nouveaux éléments finis de plaques et
coques composites avec influence du cisaillement transverse, Thèse de Doctorat, UTC,
Lindberg G.M., Olson M.D., Cowper G.R., « New development in the finite element analysis
of shells », Q. Bull Div. Mech. Eng. and Nat. Aeronautical Establishment, National
Research council of Canada, vol. 4, 1969.
Mac Neal R., Harder R.L., « A proposed standart set of problems to test finite element
accuracy », Finite Element Analysis Design, vol. 1, 1985, p. 3-20.
Mackerle J., « Finite- and boundary-element linear and nonlinear analyses of shells and shelllike
structures, A bibliography (1999–2001) », Finite Elements in Analysis and Design,
vol. 38, 2002, p. 765-782.
Mau S.T., Pian T.H.H., Tong P., « Vibration analysis of laminated plates and shells by a
hybrid stress element », AIAA Jou., 11, 1973, p. 1450-1452.
Mindlin R.D., « Influence of rotatory inertia and shear on flexural motion of isotropic, elastic
plates », Jou. Appl. Meth., vol. 18, 1951, p. 31-38.
Nafems, National Agengy for Finite Element Methods and Standards, U.K. « The Standard
NAFEMS Benchmarks » TNSB, Rev. 3, October 1990.
Parisch H., « An investigation of a finite rotation four node assumed strain shell element »,
Int. Jou. Num. Meth. Eng., vol. 31, 1991, p. 127-150.
Pian T.H., Sumihara K., « Rational approach for assumed stress finite elements », Int. Jou.
Num. Meth. Eng., vol. 20, 1984, p. 1685-1695.
Pol P., Modélisation du comportement élastoplastique de coques minces par éléments finis,
Thèse de Doctorat, Université de Technologie de Compiègne, 1992.
Ramm E., Matzenmiller A., « Large deformation shell analysis based on the degeneration
concept », in Finite Element Methods for Plate and Shell Structures, vol. 1, Hughes,
Hinton, Eds, 1986, p. 365-393.
Rammerstofer F.G., « Composite and sandwich shells », Lecture in Nonlinear Analysis of
Shells by Finite Elements, CISM Course, Udine, Italy, June 1991.
Reissner E., « The effect of transverse shear deformation on the bending of plates », Jou.
App. Mech. 12, A69-A77, 1945.
Simo J.C., Fox D.D., Rifai M.S., « Geometrically exact stress resultant shell models:
formulation and computational aspects of the nonlinear theory », in Analytical and
Computational Models of Shells, (Noor, Belytschko and Simo Eds), CED-vol. 3, ASME,
, p. 161-190.
Simo J.C., Fox D.D., Rifai M.S., « On stress resultant geometrically exact shell model - Part
III: Computational aspects on the nonlinear theory », Com. Meth. App. Mec. Eng, vol. 79,
, p. 21-70.
Stricklin J.A, Haisler W.E, Tisdale P.R., Gunderson R., « A rapidliy converging triangular
plate element », AIAA Jou., vol. 7, n° 1, 1969, p. 180-181.
Tafla A., Eléments finis mixte-hybrides pour les structures en coques composites
multicouches, Thèse de doctorat (en cours), Université de Reims Champagne-Ardenne,
-2006.
Vlachoutsis S., Eléments finis tridimensionnels dégénérés de coques avec intégration
explicite suivant l’épaisseur, Thèse de Doctorat, ENSAE, Toulouse, 1987.
Vlachoutsis S., « Explicit integration for three dimensional degenerated shell finite
elements », Int. Jou. Num. Meth. Eng., vol. 29, 1990, p. 861-880.
Wilt T.E., Saleeb A.F., Chang T.Y., « A mixed element for laminated plates and shells »,
Comput. Struct., vol. 37, 1990, p. 597-611.
Yang H.T.Y, Saigal, Liaw, « Advances of thin shell finite elements and some applications -
version 1 », Comp. Struct., 35, 1990, p. 481-504.
Yoshida Y., « A hybrid stress element for thin shell analysis », In Proc. International
Conference on Finite Element Method in Engineering, Univ. of N.S.W., Australia, 1974,
p. 271-284.
Zienkiewicz O.C, Taylor R., The finite element method, Volume 2: Plates, shell,fluids and
non-linear problems, 4th Ed., Mc Graw-Hill, London 1991.