Abstract This paper presents a frequency domain spectral finite element model (SFEM) for studying wave propagation in laminated composite shell panels. The SFEM formulation is derived using two different theories: (i) the first order shear deformation theory (FSDT) that takes shear deformation into consideration, and (ii) the classical shell theory (CST) that neglects shear deformation. The spectral approach here is based on the use of fast Fourier transform (FFT) and inverse fast Fourier transform (IFFT). The spectral element uses exact shape functions and a frequency dependent exact dynamic stiffness matrix is obtained relating the nodal displacements to the nodal forces of an element. The formulation is validated by comparing the present results for wavenumber dispersion and natural frequencies with the published results. The present SFEM is then used to perform wavenumber dispersion, phase and group velocities, and wave propagation analyses of laminated composite shell panels. The numerical studies show that the wavenumbers obtained from the SFEM based on the CST are significantly different from those of the FSDT at high frequencies. The CST results for the group velocity and wave propagation response to tone burst excitation show significant deviation from the FSDT results for out-of-plane A0 flexural mode even at relatively low frequencies. The orthotropy ratio and lamination arrangements in a composite shell panel have significant effect on the group velocity as well as the flexural mode wave propagation response.

中文翻译：

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使用频域谱有限元模型对层压复合壳板进行波传播分析

摘要 本文提出了一种频域谱有限元模型 (SFEM)，用于研究层压复合壳板中的波传播。SFEM 公式是使用两种不同的理论推导出来的：(i) 考虑剪切变形的一阶剪切变形理论 (FSDT)，以及 (ii) 忽略剪切变形的经典壳理论 (CST)。这里的频谱方法基于快速傅立叶变换 (FFT) 和快速傅立叶逆变换 (IFFT) 的使用。谱元素使用精确的形状函数，并且获得了将节点位移与元素的节点力相关联的频率相关的精确动态刚度矩阵。通过将波数色散和自然频率的当前结果与已发布的结果进行比较来验证该公式。然后使用当前的 SFEM 对层压复合壳板进行波数色散、相位和群速度以及波传播分析。数值研究表明，从基于 CST 的 SFEM 获得的波数与高频下的 FSDT 的波数有显着差异。即使在相对较低的频率下，群速度和波传播对音调脉冲激励的 CST 结果也与面外 A0 弯曲模式的 FSDT 结果存在显着偏差。复合壳面板中的正交各向异性比和叠片布置对群速度以及弯曲模式波传播响应有显着影响。数值研究表明，从基于 CST 的 SFEM 获得的波数与高频下的 FSDT 的波数有显着差异。即使在相对较低的频率下，群速度和波传播对音调脉冲激励的 CST 结果也与面外 A0 弯曲模式的 FSDT 结果存在显着偏差。复合壳面板中的正交各向异性比和叠片布置对群速度以及弯曲模式波传播响应有显着影响。数值研究表明，从基于 CST 的 SFEM 获得的波数与高频下的 FSDT 的波数有显着差异。即使在相对较低的频率下，群速度和波传播对音调脉冲激励的 CST 结果也与面外 A0 弯曲模式的 FSDT 结果存在显着偏差。复合壳面板中的正交各向异性比和叠片布置对群速度以及弯曲模式波传播响应有显着影响。即使在相对较低的频率下，群速度和波传播对音调脉冲激励的 CST 结果也与面外 A0 弯曲模式的 FSDT 结果存在显着偏差。复合壳板中的正交各向异性比和叠片布置对群速度以及弯曲模式波传播响应有显着影响。即使在相对较低的频率下，群速度和波传播对音调脉冲激励的 CST 结果也与面外 A0 弯曲模式的 FSDT 结果存在显着偏差。复合壳面板中的正交各向异性比和叠片布置对群速度以及弯曲模式波传播响应有显着影响。