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[국내논문] 오픈 홀 인장 복합 재료 적층판에서 층간 및 내부 손상에 대한 점진적 손상 모델링
Progressive Damage Modeling of Inter and Intra Laminar Damages in Open Hole Tensile Composite Laminates 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.32 no.4, 2019년, pp.233 - 240  

살만 칼리드 (동국대학교 기계로봇에너지공학과) ,  김흥수 (동국대학교 기계로봇에너지공학과)

초록
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인장 강도는 복합 재료를 설계하기 위한 필수 변수이므로 개방 홀 인장 시험을 통해 복합 재료의 인장 강도를 측정한다. 그러나 인장 시험을 올바르게 모델링하는 것은 섬유와 매트릭스 손상, 층간분리 및 섬유와 매트릭스 사이의 손상 같은 다양한 손상을 수반하기 때문에 매우 어려운 과제다. 따라서 섬유와 매트릭스 사이의 면내 파괴 및 층간분리를 평가하기 위해 본 연구에서는 점진적 손상 모델을 개발하였다. 하신 손상 모델과 응집 영역 접근법을 층과 층간분리를 모델링하는데 사용하였다. 현재 모델의 결과를 이전에 발표된 실험 및 수치 결과와 비교하여 검증하였다. 이를 통해 유한요소해석에서 층간분리를 무시하면 인장 강도가 과대평가 된다는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Open-hole tensile tests are usually performed to measure the tensile strengths of composites as they are an essential parameter for designing composite structures. However, correctly modeling the tensile test is extremely challenging as it involves various damages such as fiber and matrix damage, de...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • Energy based damage evolution is used in this study that employes energy release rates. BK(benzeggagh Kenane) is the most popular energy-based criterion as shown in equation 15.
  • In this study, the main objective is to develop a progressive damage model that accounts in-plane failure as well as delamination and debonding damage between the fiber and matrix. In-plane damage modeling is done by using ABAQUS built in damage material model(hashin failure criteria).
  • Progressive damage analysis is carried out on all lamina orientations, i.e., 0°, 45°, -45°, and 90° angles.
  • Chen’s model and the present study are much closer to the experimental tensile strength. The current study provides the complete detail of the damage modes as well as accurately predicts the open-hole tensile strength.
  • , 0°, 45°, -45°, and 90° angles. The significance of this study as compared to previous studies is that it presents the complete details of the damage initiation and progression of each ply in different damage modes such as described earlier in Hashin Failure criteria(fiber tension failure, fiber compression failure, matrix tension failure, and matrix compression failure).
  • Most recently, cohesive zone modeling by using cohesive elements in ABAQUS is being used to predict the mechanical response and failure behavior of the composite structures and proven to be the reliable approach for modeling delamination failure. Therefore, in this study, the combination of Hashin damage model and cohesive zone elements is used to predict the correct failure modes and strength prediction of the notched composite laminates.

이론/모형

  • The damage model provides a complete detail about the in-plane as well as delamination damage in a composite plate. ABAQUS built-in material model (hashin damage) was used for modeling laminate failure, and delamination damage was modeled by employing a layer of cohesive zone elements. Damage due to the matrix tension failure dominated in both damage initiation and damage evolution, whereas, fiber damage only occurred in 00 ply.
  • Therefore, proper failure criteria are needed that accounts for all the damage modes in the notched composite structures. ABAQUS built-in material model(hashin damage model) is used in this study for modeling laminate failure and delamination is modeled by using cohesive elements. These damage models are discussed in detail in the following subsections.
  • Damage initiation and the progression in the ply is characterized by using the inbuilt damage material model Hashin Failure criterion in the ABAQUS. The output variables assigned for the damage initiation are HSNMTCRT, HSNMCCRT, HSNFTCRT, and HSNFCCRT for the matrix and fiber failure in both tension and compression modes.
  • The red colour indicates the most delaminated area and, the blue colour shows the undamaged area in the plot. In this work, the ABAQUS cohesive element is used for modeling delamination modeling. Delamination modeling using a cohesive element is very sensitive to the element size, and the element size must be small enough to capture the stress gradient in the wake of cracks.
  • In this study, the main objective is to develop a progressive damage model that accounts in-plane failure as well as delamination and debonding damage between the fiber and matrix. In-plane damage modeling is done by using ABAQUS built in damage material model(hashin failure criteria). Delamination modeling is carried out by using cohesive zone approach.
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참고문헌 (9)

  1. Achard, V., Bouvet, C., Castanie, B., Chirol, C.. Discrete ply modelling of open hole tensile tests. Composite structures, vol.113, 369-381.

  2. , 박솔뫼, 양범주, 이행기. 콘크리트 및 복합재료용 멀티스케일 가상 시험기계에 관한 소고. 한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, vol.31, no.4, 173-181.

  3. Camanho, P.P., Maimi, P., Davila, C.G.. Prediction of size effects in notched laminates using continuum damage mechanics. Composites science and technology, vol.67, no.13, 2715-2727.

  4. Chen, B.Y., Tay, T.E., Baiz, P.M., Pinho, S.T.. Numerical analysis of size effects on open-hole tensile composite laminates. Composites. Part A, Applied science and manufacturing, vol.47, 52-62.

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  6. Hallett, S.R., Green, B.G., Jiang, W.G., Wisnom, M.R.. An experimental and numerical investigation into the damage mechanisms in notched composites. Composites. Part A, Applied science and manufacturing, vol.40, no.5, 613-624.

  7. Hashin, Z.. Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites. Journal of applied mechanics, vol.47, no.2, 329-334.

  8. 정철균, 김성욱. 유한요소법을 이용한 복합재의 물성치 도출에 대한 연구. 한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, vol.29, no.1, 61-65.

  9. 손정우, 김흥수. 층간 분리가 있는 복합재 구조물의 동적특성 회복. 한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, vol.28, no.1, 47-51.

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