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Title Page

Abstract

Contents

1. Introduction 12

1.1. Background and motivation 12

1.2. Objectives and Overview 21

2. Progressive fatigue damage model using lamina failure criteria 23

2.1. Progressive fatigue damage model 24

2.1.1. General method 24

2.1.2. Constitutive model 25

2.1.3. Failure criteria 26

2.1.4. Material degradation 30

2.2. FE implementation 36

2.2.1. Overall flowchart 36

2.2.2. Materials 38

2.2.3. Cycle jumping scheme validation 43

2.3. Model evaluation 45

2.3.1. Evaluation of the model with flat-bar specimens 45

2.3.2. Evaluation of the model with pin-loaded specimens 50

3. Multiscale progressive fatigue damage model 55

3.1. Multiscale progressive fatigue damage model 56

3.1.1. Micromechanics model 56

3.1.2. Constituent fatigue damage model 61

3.1.3. Progressive interface debonding model 62

3.2. FE implementation 64

3.2.1. FE simulation procedure 64

3.2.2. Materials 68

3.2.3. Fatigue damage parameter characterization 69

3.3. Model evaluation 75

3.3.1. Evaluation of the model with flat-bar specimens 75

3.3.2. Evaluation of the model with pin-loaded specimens 77

4. Conclusions and future works 81

Reference 84

국문초록 89

List of Tables

Table 1. Elastic properties of AS4/3501-6 composite 39

Table 2. Material parameters for the calculation of the number of cycles to failure 40

Table 3. Material parameters for the fiber direction damage 41

Table 4. Material parameters for the Puck's failure criteria 42

Table 5. Material parameters for the gradual degradation rule before IFF 43

Table 6. Material parameters for the rapid degradation rule after IFF 43

Table 7. Longitudinal tensile strength of composite laminates 46

Table 8. The mechanical properties of the composite (AS4/3501-6) 68

Table 9. The mechanical properties of constituents (fiber: AS4, matrix: 3501-6) 69

Table 10. Characterized fatigue damage parameters 73

Table 11. Static strength of unidirectional laminates 75

List of Figures

Figure 1. Overall flowchart of the proposed progressive fatigue damage model 25

Figure 2. Stress components in the global coordinates (x₁, x₂, x₃) and local coordinates (x₁, xt, xn)[이미지참조] 27

Figure 3. The algorithm of the progressive fatigue damage model in FE simulation 38

Figure 4. Experimental data and fitted curve for the fiber direction damage 41

Figure 5. Residual longitudinal strength with different cycle jumping parameters(4, 6, 8, 10, 15) 44

Figure 6. The boundary conditions and dimensions of the flat-bar specimen 46

Figure 7. The displacement of the loading surface 47

Figure 8. S-N curve comparison of simulation and experimental data for flat-bar specimens: (a) [0]8, (b) [90]8, (c) [30]16, (d)...[이미지참조] 48

Figure 9. Fatigue failure progression of [0/902]s of composite laminate[이미지참조] 50

Figure 10. The dimension of the pin-load composite laminates 51

Figure 11. S-N curve comparison of simulation and experimental data for the pin-loaded specimen 52

Figure 12. The stress exposure distributionof each ply (0, 90, 45, -45) during the fatigue simulation... 54

Figure 13. Micromechanics model considering the progressive interface debonding 57

Figure 14. The algorithm for the multiscale fatigue damage model 65

Figure 15. The flowchart for the multiscale fatigue damage model 67

Figure 16. Chaotic firefly algorithm for fatigue damage parameters characterization 73

Figure 17. The fitted curve of lamina damage variable according to the number of cycles: (a) longitudinal direction, (b) transverse... 74

Figure 18. The dimension and boundary conditions for flat-bar specimens 76

Figure 19. S-N curve comparison for flat-bar specimens ([0]8, [90]8, [30]16)[이미지참조] 77

Figure 20. The dimension and boundary conditions for pin-loaded specimens (cross-ply/quasi-isotropic laminate) 79

Figure 21. S-N curve comparison for pin-loaded specimens ([04/904]s, [0/90/±45]s)[이미지참조] 80

Figure 22. Failed elements during the fatigue simulation of the pin-loaded cross-ply laminate (70% of the static failure load) 81

초록보기

본 학위논문에서는 적층형 복합재료의 피로수명을 예측하기 위한 점진적 피로 손상모델을 제시하였다. 복합재료를 실제 구조물, 특히 장시간의 운용기간을 가지는 구조물에 적용하기 위해서는 재료의 피로 거동에 대해 연구가 충분히 이해되어야 한다. 복합재료의 경우 일반적인 단일재료와 달리 피로하중의 방향, 크기, 재료의 적층 구조 등에 따라 다른 피로 특성을 가진다. 따라서 구조물의 설계 단계에서 복합재료의 피로수명을 예측하는 방법의 필요성이 대두되었다. 본 연구에서는 먼저 라미나 단계에서의 파손 기준이 재료 물성 저하 식을 사용하여 점진적 피로 손상 모델을 구현하였다. 파손 기준의 경우 섬유의 경우 최대 응력 기준, 기지의 경우 Puck's failure criteria를 사용하였고 각각 섬유 방향, 파손 여부에 따라 다른 물성 저하식을 적용하였다. 제안된 모델은 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS의 user subroutine인 UMAT으로 구현된 실제 시편 형상의 유한요소 모델의 피로수명을 예측하는데 사용되었다. 해석을 위한 실험 재료로 탄소 섬유 강화 플라스틱인 AS4/3501-6을 선정하여 단일 방향 라미네이트 및 준등방성 (quasi-isotropic) 라미네이트, 그리고 응력 집중현상을 가지는 핀 고정 (pin-loaded) 시편의 피로 시험 데이터를 검증을 위하여 사용하였다. 이 모델은 다양한 적층 구조 및 현상을 가지는 라미네이트의 피로수명 및 피로 손상의 진전을 성공적으로 예측하였다.

위에서 제시된 모델은 복합재료의 피로 손상을 라미나 단계에서 모델링하였다는 한계점이 있어 이를 극복하기 위하여 각각의 구성재료에서 피로손상 변수를 도입한 멀티스케일 점진적 피로 손상 모델을 새롭게 구현하였다. 이 모델에서는 점진적인 경계면 손상을 고려하기 위해 서로 다른 4개의 경계면 상태를 정의한 미소구조 모델을 도입하였다. 각각의 상태에 대한 부피분율은 피로 하중의 사이클 수가 증가함에 따라 온전한 상태의 계면에서 완전 박리 상태의 계면으로의 전환이 일어난다. 손상된 경계면의 에쉘비 텐서(Eshelby's tensor)를 계산하기 위해 선형 스프링 모델이 사용되었으며 균질화 방법을 통해 복합재료의 유효 물성을 얻었다. 또한 복합재료의 피로거동을 묘사하기 위해 교번 응력에 대한 섬유, 기지, 그리고 섬유-기지 간의 계면 각각에 대한 손상 변수들이 정의되었고 이를 chaotic firefly 알고리즘을 통해 손상 변수를 특성화 하였다. 제안된 모델도 마찬가지로 ABAQUS의 UMAT subroutine으로 구현되어 AS4/3501-6 복합재료의 단일방향 라미네이트 및 핀 고정 시편들의 피로 수명 및 피로 손상 예측을 수행하였고 성공적으로 검증되었다. 개발된 모델은 복합재료를 사용한 구조물의 피로해석에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

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