Predictive method of fatigue properties of fiber reinforced plastics considering damage

Abstract

Fiber-reinforced plastics (FRPs) exhibit high mechanical properties and low density, so they are widely used in various industrial fields such as automobile, aviation, aerospace and defense industries. However, industrial parts and structures made of fiber-reinforced plastic are exposed to alleviating shock or vibration during use. Damage caused by external loading is a major factor degrade the mechanical properties of fiber-reinforced plastics, and a safe design taking this into account is essential. Therefore, in this study, experimental and theoretical studies were conducted to predict the nonlinear behavior and fatigue failure of fiber-reinforced plastics caused by damage. Firstly, constitutive model was suggested to simulate the mechanical behavior of fiber-reinforced plastics composed of different fibers and structures caused by damage. Tensile and compression tests of five fiber reinforced plastics (unidirectional carbon/glass fiber, woven carbon/glass fiber, and short glass fiber reinforced plastic) were performed for many off-axis angles. A model that predicts the tensile-compression asymmetry nonlinear behavior was developed based on the plastic model and failure criterion. In addition, a new method of obtaining the parameters of the plasticity model was proposed and applied to the method of obtaining the parameters of the multivariable plasticity model. The model was expanded to quantify and reflect damage through cyclic loading tensile test. The proposed model was implemented in finite element analysis software via a user material subroutine, and experimentally validated in terms of tension and compression in various loading directions Secondly, a methodology of evaluating the accelerated fatigue life of fiber reinforced plastics was investigated. Firstly, a facile method of determining the maximum stress level, temperature rise, and frequency among the various fatigue factors was proposed. By analyzing the previous experimental results, a predictive S-N curve of the fatigue life of fiber-reinforced plastics was obtained. The theoretical model was derived to determine critical frequency that guarantees a safe temperature rise of FRPs. The methodology was applied through the dynamic mechanical analysis and temperature measurement in the fatigue test. Next, the applicability of accelerated evaluation method the fatigue life using the time-temperature superposition principle was investigated. Through a number of tests, a suitable test was found that accelerates the same as degradation of the fatigue test, and the relationship between each test method and damage was newly proposed. It was confirmed that the fatigue test can be minimized through this method. Lastly, a predictive model the S-N diagram of various stress ratios and Constant fatigue Life Diagram (CLD) of fiber-reinforced plastics was developed. In order to consider the effect of the stress ratio, a normalized fatigue factor that introduced a new fitting parameter from the previous model was introduced and the applicability was confirmed through the fatigue test results of various fiber-reinforced plastics. In addition, effective stress combined with the Tsai-Wu failure criterion was introduced in order to consider the fiber orientation and tensile-compression asymmetry. By applying the methodology to the fatigue results of the three stress ratios (R=0.1, -1, 10) of the two fiber-reinforced plastics, it was confirmed that the S-N curve of various stress ratios and the CLD could be predicted.

섬유강화 플라스틱 (FRPs)은 높은 기계적 특성 및 낮은 밀도를 보여 자동차, 항공, 우주 및 방위 산업 등의 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있다. 하지만 섬유강화 플라스틱을 이용해 만든 부품 및 구조물은 사용 중에 지속적인 충격과 진동에 노출된다. 외부 응력에 의해 발생하는 내부손상은 섬유강화 플라스틱의 기계적 물성을 저하시키는 주요 요인이며 이를 고려한 안전한 설계가 필수적이다. 그래서 본 연구에서는 이러한 내부 손상으로 발생하는 섬유강화 플라스틱의 비선형 거동과 피로 파손을 예측하기 위해 실험적, 이론적 연구를 수행하였다. 우선, 내부 손상으로 발생되는 다양한 섬유와 구조의 섬유강화 플라스틱의 기계적인 거동을 모사하기 위한 모델에 대해 연구하였다. 5가지의 섬유강화 플라스틱 (일축 탄소/유리섬유, 직조 탄소/유리섬유, 단유리섬유강화 플라스틱)의 인장/압축 시험을 다양한 섬유 각도에 대해 수행하였다. 이 때 나타나는 인장-압축 비대칭성 비선형 거동을 최적의 소성 모델과 파손이론을 통해 예측하는 모델을 개발하였다. 그리고 소성 모델의 파라미터를 얻는 방법을 새롭게 제안하여 다변수 소성 모델의 파라미터를 얻는 방법에 적용하였다. 그리고 반복하중시험을 통해 내부 손상을 정량화 하여 반영하는 모델로 확장하였다. 이를 유한요소 해석 프로그램에 적용하여 실제 실험을 모사하고, 해당 모델의 유효성을 검증하였다. 더불어 섬유강화 플라스틱의 피로 수명에 대한 가속화 평가방법에 대해 연구하였다. 먼저, 여러 피로 평가의 인자 중 최대응력과 온도상승, 주파수를 결정하는 방법에 대해 제안하였다. 기존 논문 결과를 분석하여 섬유강화 플라스틱의 피로 수명 예측 커브를 얻었으며, 이론적 모델에 적용하여 안전한 온도상승을 보장하는 주파수 결정 방법을 도출했다. 이를 동적 기계적 특성 분석과 피로 시험에서의 온도 측정을 통해 방법론을 적용하였다. 다음으로, 시간-온도 중첩원리를 통한 피로수명 가속화 평가법의 적용가능성에 대해 연구하였다. 다양한 방법의 시험을 통해 피로 시험의 가속과 동일한 가속이 되는 시험 방법을 알아냈고, 각 시험 방법들과 손상과의 관계를 새롭게 제안할 수 있었다. 해당 방법을 통해 피로 시험을 최소화할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 섬유강화 플라스틱의 다양한 응력비의 S-N 선도와 일정 수명선도를 예측할 수 있는 방법에 대해 연구하였다. 응력비 효과를 고려하기 위해 기존의 예측 식에서 새로운 파라미터를 도입한 정규화 된 피로 인자를 도입하였고, 다양한 섬유강화 플라스틱의 피로 시험 결과를 통해 적용 가능성을 확인하였다. 또한 섬유 배향과 비대칭성에 따른 변화를 고려하기 위해 Tsai-Wu 파손 이론과 결합한 유효 응력 개념을 도입하였다. 두가지의 섬유강화 플라스틱의 세가지 응력비의 피로 평가 결과에 해당 방법론을 적용하여 다양한 응력비의 S-N 선도와 일정수명선도를 예측할 수 있음을 확인하였다.