점소성 복합재료의 비선형 손상 모델과 해석 연구

Abstract

항공기 경량화를 통한 운항효율을 증진시키기 위해 최근 폴리머 복합재료를 적용한 항공기 주 구조물의 개발이 보편화되고 있는 추세이다. 복합재료의 항공기 구조재료로의 적용 확대는 일반적인 항공기 운용 조건을 나타내는 선형, 정적 하중 하의 항공기 구조 설계 및 해석에 요구되는 해석 기법과 재료 물성확보 등 공학적 기법의 발전으로 이어졌다. 그러나 항공기 구조재료로 널리 적용되는 복합재료의 동적 거동 및 비선형 변형 등은 해석의 정확도가 선형, 정적 해석에 비해 상대적으로 높지 않으며, 특히 충격 또는 충돌에 의해 발생되는 비선형 거동의 해석적 방법을 통한 예측에는 한계를 나타내고 있다. 그러므로 이러한 비선형 거동과 충돌속도에 따라 변화하는 복합재료의 거동을 예측하기 적합한 해석 모델과 방법의 개발을 통해 항공기 구조물의 내추락 성능 향상이 가능할 것으로 판단할 수 있다. 본 연구는 외연적 유한요소해석기법에 적용하기 위한 변형률속도에 따라 변화하는 폴리머 복합재료의 비선형 손상 모델에 관한 것으로, 재료의 비선형 손상 거동을 효과적으로 예측하기 위해 수행되었다. 복합재료의 파손이 발생하기 전 거동을 예측하기 위한 손상 모델은 다중스케일 접근법을 이용한 폴리머 복합재료의 점탄성, 점소성 구성방정식으로 구성되어 있다. 현상학적으로, 면내 전단하중이 작용하는 복합재료의 비선형 변형 거동은 기질의 점소성 거동과 복합재 내부의 미세손상에 의한 손상거동에 의해 나타나는 것으로 알려져 있다. 동적 하중이 작용하는 경우 변형률속도의 변화는 복합재료 내 기질의 거동의 변화 뿐 아니라, 복합재 손상거동의 변화를 초래하게 된다. 면내 전단 거동에 대한 정확도가 향상된 미시역학모델의 적용을 통해 변형거동의 특성이 상이한 섬유와 기질의 거동을 동시에 고려하였다. 해석 모델의 정확도 향상을 위해 본 연구에서는 거시역학적 이방성 연속체 손상역학이론을 바탕으로 변형률속도에 따라 탄성손상모델의 상태변수가 변화하는 손상모델을 제안하였다. 본 연구에서 복합재 적층판내의 적층의 파손이 발생한 이후 재료 강성 및 강도의 변화를 나타내기 위한 손상 거동 모델을 적용하고 있다. 복합재 적층판 내의 복합재 적층의 파손 발생 예측은 Hashin 파손 모델을 기본형태로 변형률속도에 따라 파손기준이 변화하는 파손 모델을 적용하였다. 복합재 적층판 내 복합재 적층의 파손에 의한 강성 및 작용 응력의 감소를 나타내기 위해 본 연구에서는 향상된 손상 진전 모델을 제안하고 있다. 이 손상 진전 모델은 기존 손상 진전 모델에 다양한 형태의 손상 거동 곡선을 나타내기 위한 변수를 추가함으로써 기존 모델에 비해 다양한 손상 거동을 모사할 수 있어, 외연적 유한요소해석을 이용한 복합재 점진적 파손해석에 적합한 모델이다. 본 연구에서 제안된 변형률속도에 따라 변화하는 손상 모델을 적용한 해석 결과는 다양한 변형률 속도에서의 시험치와 비교를 통해 검증되었으며, 높은 해석 정확도를 확인할 수 있었다. 또한 본 연구에서 제안된 손상 진전 모델은 외연적 유한요소기법을 위한 점진적파손해석기법에 매우 적합한 모델임을 확인할 수 있었다.

Recently, polymeric composite materials have been widely used as the primary structures for saving the weight and increasing the efficiency in the aerospace industry. As the application of composite airframes is promoted, it is almost equipped that the engineering properties and analysis method for the composite structural design for the quasi-static and linear conditions. However, analysis methods for of the dynamic and nonlinear behaviors of composite materials are relatively deficient to fully predict structural responses, and which nonlinear behaviors are typically caused by the impact or crash conditions. Therefore, appropriate analysis methods for the rate-dependent and nonlinear behaviors of composite materials can improve the crashworthiness performance of aerospace structures. The present study aims at the nonlinear damage models for the explicit finite element method with respect to strain rates which are to predict nonlinearly damaging behaviors of polymeric composite materials. The damage model for prior to material failure, which represents the rate-dependent damage modeling for polymeric composite materials with the viscoelastic and viscoplastic constitutive model using a multi-scale approach. Phenomenologically, the nonlinear response of a composite under the in-plane shear loading condition is originated from the viscoplasticity of a matrix and the damage behavior of composite materials. In case of dynamic loading conditions, the strain-rate effects the change of the damage behavior of composite materials, as well as the behavior of the matrix. The enhanced micromechanical model which improves the in-plane shear behavior, is used for analyzing the rate-dependent behaviors of the fiber and matrix constituents. The rate-dependent elastic damage model based on orthotropic continuum damage mechanics theory at the macromechanical level is applied to improve the accuracy of the analysis model. The damaging behavior after the material failure in this study, which represents the degradation after the composite failure. The rate-dependent composite failure criteria based on Hashin failure model is employed in this study. In order to degrade the stiffness and reduce the stresses, the enhanced damage progression model is proposed in this study. This model is suitable for the progressive failure analysis of composite materials using the explicit FE analysis, because it has one more variable than the original model which can adjust the progressive failure behaviors of composite laminates. Predictions by presented the rate-dependent damage model are shown to agree fairly well with experimental results over a wide range of strain rates. The enhanced damage progression model is shown that it is quite suitable for the progressive failure model for the explicit finite element method.