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페리다이나믹스 해석법을 통한 동적취성 파괴거동해석: 분기 균열각도와 균열 전파속도
Dynamic Brittle Fracture Captured with Peridynamics: Crack Branching Angle & Crack Propagation Speed 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.24 no.6, 2011년, pp.637 - 643  

하윤도 (군산대학교 조선공학과) ,  조선호 (서울대학교 조선해양공학과)

초록

본 논문에서는 결합 기반 페리다이나믹스 해석법을 사용하여 동적취성 파괴시뮬레이션을 수행하였다. 페리다이나믹스 모델은 분기 균열, 균열 불안정성, 균열 경로의 비대칭성, 연쇄 분기 균열, 2차 균열 전파 등 다양한 동적취성 파괴현상을 잘 해석해 낼 수 있다. 본 논문에서는 분기 균열의 분기 각도와 균열 전파속도에 대한 응력파의 영향에 대해 연구하였다. 극한 시점에 도달한 균열은 둘 이상으로 분기되어 전파되고 그 전파속도는 기존 균열의 전파속도와 크게 달라지지 않는다는 사실이 여러 실험을 통해서 입증이 되었다. 페리다이나믹스로 해석된 분기 균열은 실험을 통해 제안된 균열 전파현상들과 잘 부합되는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The bond-based peridynamic model is able to capture many of the essential characteristics of dynamic brittle fracture observed in experiments: crack branching, crack-path instability, asymmetries of crack paths, successive branching, secondary cracking at right angles from existing crack surfaces, e...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구 논문에서는 결합 기반 페리다이나믹스 모델에 대해 간략히 소개하고 페리다이나믹스를 통한 동적파괴해석 시뮬레이션을 통해 응력파가 분기 균열각도와 균열 전파속도에 미치는 영향에 대해 분석한다. 극한 시점에 도달한 균열은 둘 이상으로 분기되어 전파되고, 그 전파속도는 기존 균열의 전파속도와 크게 달라지지 않는다는 사실이 여러 실험을 통해서 입증이 되었다(Ravi-Chandar, 2004; Scheibert, 2010).
  • 취성 물질에 대한 동적파괴 시뮬레이션에는 해결되어야 할 많은 난제들이 있다. 본 연구 논문에서는 페리다이나믹스 모델을 통해 다양한 중요한 동적파괴 특성들을 해석해 낼 수 있음을 보였다. 또한 분기 균열각도와 균열 전파속도에 응력파가 미치는 영향에 대해서도 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
동적취성 파괴현상을 시뮬레이션하기 위한 대표적인 해석법은 무엇이 있는가? 오랜 기간동안 동적취성 파괴현상을 시뮬레이션하기 위한 많은 노력이 이루어져 왔다(Belytschko 등, 2003). 대표적인 해석법들로는 원자 모델(Abraham 등, 1997), 래티스 모델(Marder 등, 1995), FEM/XFEM 모델(Belytschko 등, 2003) 등이 있다. 몇몇 모델들은 동적취성 파괴특성의 일부를 모사해 내기도 했지만 실험적으로 관측된 많은 동적취성 파괴특성들은 인위적인 특수한 조건없이는 수치시뮬레이션으로 예측이 되지 못하였다.
페리다이나믹스의 특징은 무엇인가? 새로운 연속체 기반 모델인 페리다이나믹스는 Silling(Silling, 2000)에 의해 파괴해석 등을 위해 고안되었다. 페리다이나믹스는 적분방정식으로 운동방정식을 표현(Silling, 2000) 함으로써 재료 불연속성에 대해 기존 방법론들이 가지는 수학적 모순(공간 미분)으로부터 자유롭게 된다. 유한요소와 같은 국부 모델들은 요소 연결성에 의해 바로 인접한 질점들끼리만 상호 작용을 고려한다. 그러나 비국부 모델인 페리다이나믹스는 유한한 길이 차원인 horizon에 의해 구성되는 유한한 범위 내에 흩어져 있는 모든 질점들이 상호 작용하도록 모델을 구성한다.
일반적인 조건의 취성 재료에서 균열은 어떤 형태로 발생하는가? 동적취성 파괴에 대한 많은 실험들을 통해(Bowden 등, 1967; Ramulu 등, 1983; 1985; Ravi-Chandar 등, 1984(a); (b); Ravi-Chandar, 2004) 분기 균열, 균열 불안정성, 균열 경로의 비대칭성, 연쇄 분기 균열, 2차 균열 전파 등 다양하고 복잡한 동적취성 파괴현상들이 관찰되어 왔다. 취성 재료에서 균열은 초기에는 일직선 형태로 전파하다가 휘어지거나 둘 이상의 가지로 분기하게 된다. 매우 높은 응력 상태에서는 전파되던 균열이 연속적인 다중 분기의 형태로 전파되면서 때때로 삼각주 패턴으로 파쇄가 일어나기도 한다.
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참고문헌 (17)

  1. Belytschko, T., Chen, H., Xu, J., Zi, G. (2003) Dynamic Crack Propagation Based on Loss of Hyperbolicity and a New Discontinuous Enrichment, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 58(12), pp.1873-1905. 

  2. Bowden, F., Brunton, J., Field, J., Heyes, A. (1967) Controlled Fracture of Brittle Solids and Interruption of Electrical Current, Nature, 216, pp.38-42. 

  3. Doll, W. (1975) Investigations of the Crack Branching Energy, International Journal of Fracture, 11(1), pp.184-186. 

  4. Field, J. (1971) Brittle Fracture: Its Study and Application, Contemporary Physics, 12(1), pp.1-31. 

  5. Gerstle, W., Sau, N., Silling, S. (2007) Peridynamic Modeling of Concrete Structures, Nuclear Engineering and Design, 237(12-13), pp.1250-1258. 

  6. Ha, YD., Bobaru, F. (2010) Studies of Dynamic Crack Propagation and Crack Branching with Peridynamics, International Journal of Fracture, 162(1), pp.229-244. 

  7. Ha, YD., Bobaru, F. (2011) Characteristics of Dynamic Brittle Fracture Captured with Peridynamics, Engineering Fracture Mechanics, 78(6), pp.1156-1168. 

  8. Livne, A., Ben-David, O., Fineberg, J. (2007) Oscillations in Rapid Fracture, Physical Review Letters, 98(12), p.124301. 

  9. Ravi-Chandar, K. (2004) Dynamic Fracture, Elsevier. 

  10. Ramulu, M., Kobayashi, A.S. (1985) Mechanics of Crack Curving and Branching a Dynamic Fracture Analysis, International Journal of Fracture, 27(3), pp.187-201. 

  11. Ramulu, M., Kobayashi, A., Kang, B., Barker, D. (1983) Further Studies on Dynamic Crack Branching, Experimental Mechanics, 23(4), pp.431-437. 

  12. Ravi-Chandar, K., Knauss, W. (1984a) An Experimental Investigation into Dynamic Fracture: III. on Steadystate Crack Propagation and Crack Branching, International Journal of Fracture, 26(2), pp.141-154. 

  13. Ravi-Chandar, K., Knauss, W. (1984b) An Experimental Investigation into Dynamic Fracture: IV. on the Interaction of Stress Waves with Propagating Cracks, International Journal of Fracture, 26(3), pp.189-200. 

  14. Silling, S. (2000) Reformulation of Elasticity Theory for Discontinuities and Long-Range Forces, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 48(1), pp.175-209. 

  15. Silling, S., Askari, E. (2005) A Meshfree Method Based on the Peridynamic Model of Solid Mechanics, Computers and Structures, 83(17-18), pp.1526-1535. 

  16. Silling, S., Epton, M., Weckner, O., Xu, J., Askari, E. (2007) Peridynamic States and Constitutive Modeling, Journal of Elasticity, 88(2), pp.151-184. 

  17. Scheibert, J., Guerra, C., Celarie, F., Dalmas, D., Bonamy, D. (2010) Brittle-quasibrittle Transition in Dynamic Fracture: An Energetic Signature, Physical Review Letters, 104(4), Jan, p.045501. 

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