Progressive Failure Analysis of laminated composite plate using Element Failure Method

Abstract

복합재 적층판의 손상 진행은 전통적으로 물성저하방법(MPDM)을 사용하여 모사되었다. MPDM은 계산상 수렴성 문제를 내포하고 있으며, 강성 행렬의 재조립과 같이 많은 계산이 필요한 방법이다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해서, 본 연구에서는 비교적 새로운 계산 방식인 요소파손법(EFM)을 연구하였다. EFM은 미시역학 기반의 파손 기준(MMF)와 연결되었다. MMF는 준정적 하중하에서 복합재 적층판의 손상을 모사하기 위해서 DIAMOND/IPSAP에서 수행되었다. EFM에서는 적층판의 손상을 모사하기 위해서 파손 발생 이후에 물성을 저하시키는 대신 파손 요소의 절점 하중을 수정하였다. 이는 물성을 바꾸지 않으므로 계산상 수렴성을 보장할 수 있으며 또한 계산 시간을 절약할 수 있다.

미시역학 기반의 파손 기준(MMF)은 인장하중 하에서 복합재 적층판의 최초 파손과 손상 진행을 예측하기 위한 파손 이론으로 사용되었다. DIAMOND에서 모델링한 사각 단위셀이 섬유와 기지의 미시 응력을 계산하기 위해서 사용되었다. EFM과 MMF를 검증하기 위해서, 중앙에 구멍이 위치한 평판에 인장하중을 가한 모델을 DIAMOND에서 Quad4 요소로 모델링하였다. IPSAP 내부에 구현된 점진적 파손해석(PFA) 모듈이 복합재의 극한 강도를 예측하기 위해 사용되었다. 이 결과들을 MPDM을 사용한 MSC Nastran 2012 솔버의 결과들과 비교하였다. IPSAP이 예측한 극한 강도의 값이 MSC Nastran이 예측한 값보다 더 잘 일치함을 확인하였다.

더욱이, 중앙에 구정이 포함된 복합재 적층판의 구멍 크기에 따른 영향을 IPSAP의 PFA 모듈을 사용하여 연구하였다. 이를 위해, 다양한 크기의 구멍을 가진 복합재 적층판을 DIAMOND에서 모델링하고 IPSAP으로 해석하였다. 또한, 적층판의 구성에 따른 영향을 조사하였다. 다른 적층 배열을 갖는 구멍이 뚫린 적층판을 모델링하고 IPSAP을 사용하여 해석하였다. 이 결과들에서 다른 적층 배열을 갖는 복합재 적층판의 최종 플라이 파손 하중을 예측하였다.

The damage progression in composite laminates is traditionally modelled by using material property/stiffness degradation method (MPDM), where the damage is simulated by reducing the elastic moduli upon the initiation of failure. MPDM may introduce computational convergence problem and is also computationally intensive method as it involves the reformulation of the stiffness matrix. In order to overcome such issues, a relatively new computational scheme, element failure method (EFM) is studied in this thesis. EFM combined with the micromechanics based failure criteria (MMF) is implemented in DIAMOND/IPSAP to model the damage in composite laminates under quasi-static load. In EFM, instead of reducing the material properties after the occurrence of failure, the nodal forces of the failed elements are modified to simulate the damage in laminate. This ensures the computational convergence as the properties are not changed and also saves the computational time.

The micro-mechanics based failure criteria (MMF) is used as the failure theory to predict the initiation and progression of damage in composite laminate under tensile load. The square unit cells modelled in DIAMOND are employed to calculate the micro stresses of fibre and matrix. To demonstrate the capability of EFM and MMF, a tensile loaded composite laminate with centrally located hole is modelled in DIAMOND using Quad4 elements. The progressive failure analysis (PFA) module developed in IPSAP is used to predict the ultimate strength of the laminate. The results are then compared with the results obtained from MSC Nastran 2012 solver which uses MPDM to simulate the damage. It is found that the ultimate strength predicted by IPSAP is in fairly good agreement with the one predicted by MSC Nastran.

Furthermore, the effect of hole size in composite laminate with hole in centre is also studied by the PFA module developed in IPSAP. For this purpose, an open hole composite laminate with different hole sizes is modelled in DIAMOND and solved in IPSAP. The last ply failure (LPF) load obtained are studied and to see the effect of hole size. Additionally, the effect of laminate construction is also investigated. Where an open hole laminate with different stacking sequence are modelled and solved using the developed damage model in IPSAP. These results are also studied and the prediction of LPF load of laminate with different stacking sequence is made.