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계면 특성을 고려한 무작위 섬유배치를 갖는 단방향 복합재료의 가로방향 기계적 물성 예측 및 보정
Prediction and Calibration of Transverse Mechanical Properties of Unidirectional Composites with Random Fiber Arrangement Considering Interphase Effect 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.5, 2019년, pp.270 - 278  

박신무 (Department of Mechanical Engineering, Jeonbuk National University) ,  김도원 (Department of Mechanical Engineering, Jeonbuk National University) ,  정규 (Department of Mechanical Engineering, Jeonbuk National University) ,  임재혁 (Department of Mechanical Engineering, Jeonbuk National University) ,  김선원 (Satellite Bus Development Division, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 연구에서는 섬유, 기지 및 계면으로 구성된 단방향 복합재료의 대표체적요소를 이용해서 가로방향 기계적 물성을 계면 특성 변화에 따라 예측하고 시험결과에 맞춰 계면의 특성의 보정을 실시하였다. 섬유와 기지로 모델링 된 기존의 대표체적요소는 섬유 길이방향 기계적 물성에 대해 예측 정확도가 높으나 가로방향에 대하여 어느 정도의 편차를 보인다. 따라서, 이런 차이를 보완하기 위해 계면 영역을 도입하였고, 계면의 두께, 탄성 물성과 강도 파라미터에 따라 기계적 물성을 보정하여 복합재료 대표체적요소를 통한 예측의 정확도를 향상시켰다. 그 결과, 복합재료 대표체적요소의 길이방향 물성의 정확도는 유지한 채 가로방향 강성 및 강도의 정확도가 향상됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the transverse mechanical properties of the unidirectional fiber reinforced composite modeled with fiber, matrix, and interphase is predicted with the representative volume elements and is calibrated by adjusting the properties and thickness of the interphase by referring to the test ...

주제어

#단방향 복합재   #등가 탄성 물성   #가로방향 파손강도   #대표체적요소  

표/그림 (16)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 섬유, 기지 및 계면으로 구성된 무작위 RVE를 생성하고 섬유강화복합재의 가로방향 기계적 강성 및 강도를 예측한다. 또한 시험결과를 참고하여 계면의 두께 및 물성을 보정하여 예측 정확도를 향상 시키려 한다.
  • 따라서 본 연구에서는 섬유, 기지 및 계면으로 구성된 무작위 RVE를 생성하고 섬유강화복합재의 가로방향 기계적 강성 및 강도를 예측한다. 또한 시험결과를 참고하여 계면의 두께 및 물성을 보정하여 예측 정확도를 향상 시키려 한다.

가설 설정

  • K에 해당하는 초기 강성은 계면의 탄성계수를 계면 두께로 나누어 도출한다. 본 연구는 선행 연구를 참고하여 초기 강성과 최대응집응력을 모드 Ι~ΙΙΙ 모두 방향에 관계없이 서로 같다고 가정하였다[13]. 손상 진화(damage evolution)를 정의하기 위해서 식 (10)의 power law 기준식을 사용하였다[12].
  • 복합재료 RVE의 가로방향 등가물성 예측에 앞서 예측 정확도 향상을 위해 복합재료의 구성재료에 대해 몇 가지 가정 및 검증을 하였다. 섬유 E-Glass는 강도가 매우 크므로 선형거동을 하고 파손이 발생하지 않는다고 가정하였고, 기지 MY750는 시험결과[11]와 같이 인장 하중하에서 탄소성 과정을 거쳐 낮은 강도에서 파손되는 거동을 표현하기 위해 식 (1)과 같은 Drucker-Prager 항복 이론을 사용하였다[12].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
RSA 알고리즘은 무엇인가? 이 중, RSA 알고리즘은 Fig. 1(a)와 같이 섬유의 위치를 무작위로 생성하는 널리 사용되는 알고리즘이다. 하지만, 섬유를 무작위로 배치하기 때문에 섬유 사이의 거리가 상대적으로 멀어 섬유체적비(fiber volume ratio, Vf)가 55%를 넘지 못하는 한계(jamming limit)을 가지고 있다[3].
유한요소기법을 이용하여 복합재료 등가물성 예측을 위해 사용하는 것은? 유한요소기법을 이용한 복합재료 등가물성 예측을 위해서는 실제 복합재료의 미시구조와 유사한 대표체적요소(representative volume element: RVE)를 사용한다. 단방향 복합재료의 경우에는 섬유를 원형으로 가정하고 섬유의 위치를 무작위(random)하게 생성하는 것이 일반적이다.
섬유의 위치를 무작위(random)하게 생성하는 알고리즘의 종류는? 단방향 복합재료의 경우에는 섬유를 원형으로 가정하고 섬유의 위치를 무작위(random)하게 생성하는 것이 일반적이다. 대표적인 방법으로 RSA(random sequential adsorption, 1997)[3], NNA(nearest neighbor algorithm, 2010)[4], MNNA(modified NNA, 2016)[5], RSE(random sequential expansion, 2013)[6], RFR(random fiber removal, 2019)[7] 등과 같은 무작위 섬유 배치 알고리즘이 제안되었고, 이러한 방법을 이용하여 RVE를 생성하고 복합재료의 등가물성이 예측되었다. 이 중, RSA 알고리즘은 Fig.
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참고문헌 (15)

  1. Lee, W., "Half-dome Thermo-forming Tests of Thermoplastic Glass Fiber/PP Composites and FEM Simulations Based on Non-orthogonal Constitutive Models," Composites Research, Vol. 29, No. 5, 2016, pp. 236-242. 

    원문보기 상세보기 crossref

  2. Im, J.M., Kang, S.G., Shin, K.B., and Lee, S.W., "Study on Evaluation Method of Structural Integrity for Cone-Type Composite Lattice Structures with Hexagonal Cell," Composites Research, Vol. 31, No. 4, 2018, pp. 150-160. 

  3. Hinrichsen, E.L., Feder, J., and Jossang, T., "Geometry of Random Sequential Adsorption," Journal of Statistical Physics, Vol. 44, No. 5-6, 1986, pp. 793-827. 

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  4. Vaughan, T.J., and McCarthy, C.T., "A Combined Experimental-numerical Approach for Generating Statistically Equivalent Fibre Distributions for High Strength Laminated Composite Materials," Composites Science and Technology, Vol. 70, No. 2, 2010, pp. 291-297. 

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  5. Wang, W., Dai, Y., Zhang, C., Gao, X., and Zhao, M., "Micromechanical Modeling of Fiber-Reinforced Composites with Statistically Equivalent Random Fiber Distribution," Materials, Vol. 9, No. 8, 2016, pp. 624. 

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  6. Yang, L., Yan, Y., Ran, Z.G., and Liu, Y.J., "A New Method for Generating Random Fibre Distributions for Fibre Reinforced Composites," Composites Science and Technology, Vol. 76, 2013, pp. 14-20. 

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  7. Park, S.M., Lim, J.H., Seong, M.R., and Sohn, D.W., "Efficient Generator of Random Fiber Distribution with Diverse Volume Fractions by Random Fiber Removal," Composites Part B: Engineering, Vol. 167, 2019, pp. 302-316. 

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  8. Drzal, L., Interfaces and Interphases, ASM International, 2001. 

  9. Riano, L., Belec, L., Chailan, J.F., and Joliff, Y., "Effect of Interphase Region on the Elastic Behavior of Unidirectional Glass-fiber/epoxy Composites," Composite Structures, Vol. 198, 2018, pp. 109-116. 

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  10. Na, W.J., Lee, G.S., Sung, M.C., Han H.N., and Yu, W.R., "Prediction of the Tensile Strength of Unidirectional Carbon Fiber Composites Considering the Interfacial Shear Strength," Composite Structures, Vol. 168, 2017, pp. 92-103. 

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  11. Kaddour, A.S., and Hinton, M.J., "Input Data for Test Cases Used in Benchmarking Triaxial Failure Theories of Composites," Journal of Composite Materials, Vol. 46, No. 19-20, 2012, pp. 2295-2312. 

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  12. ABAQUS 6.14 DOCUMENTATION, Dassault Systemes Simulia Corp., Providence, RI, USA, 2014. 

  13. Jeong, G., Lim, J.H., Choi, C., and Kim, S.W., "A Virtual Experimental Approach to Evaluate Transverse Damage Behavior of a Unidirectional Composite Considering Noncircular Fiber Cross-sections," Composite Structures, Vol. 228, 2019, pp. 111-369. 

  14. Wang, X.Q., Zhang, J.F., Wang, Z.Q., Zhou, S., and Sun, X.Y., "Effects of Interphase Properties in Unidirectional Fiber Reinforced Composite Materials," Materials & Design, Vol. 32, No. 6, 2011, pp. 3486-3492. 

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  15. Liu, Z., Moore, J.A., and Liu, W.K., "An Extended Micromechanics Method for Probing Interphase Properties in Polymer Nanocomposites," Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 95, 2016, pp. 663-680. 

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