[論文レビュー] Effect of the Thickness on the Fracturing Behavior of Discontinuous Fiber Composite Structures

Seunghyun Ko, James Davey+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Mechanical Behavior of CompositesEngineering参考文献 26被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、幾何的にスケーリングされた単一き裂引張り（SENT）試験片を用いて、不連続繊維複合材料（DFCs）における厚さの影響とサイズ効果、モードI内層破壊の実験的・数値的分析を行った。等価破壊力学と確率的有限要素モデルを統合することで、破壊エネルギーは厚さが2 mmに達するまで増加し、57.77 N/mmで飽和する。これはアルミニウム合金の4.81倍に相当する。一方、厚さが増加するにつれてサイズ効果は弱まり、大規模な試験片では偽延性から破壊的挙動に移行する。

ABSTRACT

In this study, we investigate experimentally and numerically the mode I intra-laminar fracture and size effect of Discontinuous Fiber Composites (DFCs) as a function of the structure thicknesses. By testing geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens a notable structure size effect on the nominal strength of DFCs is identified. As the specimen size increases, the nominal strength decreases. For small specimens, we find a limited size effect with enhanced pseudo-ductility and a strong divergence from Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). For sufficiently large specimen sizes, the scaling of the nominal strength follows closely LEFM with a strong brittle failure. As the thickness increases, the size effect decreases. We identify the fracture energy and the effective size of the fracture process zone as a function of the thickness of the structure. To do so, we integrate equivalent fracture mechanics and stochastic finite element modeling. Experimentally, we collect the nominal strength of geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens. The numerical stochastic model captures the complex, inhomogeneous mesostructure of DFCs by explicitly generating the platelets. From the integrated analysis, it is found that the fracture energy depends significantly on the structure thickness. It is shown to increase gradually up to 2 mm and saturates after 3 mm to a value of 57.77 N/mm, which is 4.81 times larger than a typical aluminum alloy.

研究の動機と目的

• 不連続繊維複合材料（DFCs）における構造的厚さがモードI内層破壊挙動およびサイズ効果に与える影響を調査すること。
• 実験的および数値的手法を用いて、破壊エネルギー $G_f$ および有効破壊プロセスゾーン長 $c_f$ を厚さの関数として定量すること。
• 試験片サイズと厚さの増加に伴う偽延性から破壊的挙動への遷移を特定すること。
• DFCsにおける不均一なプレートレット分布および厚さ変動を捉えることができる確率的ミクロスケール有限要素モデルの構築および検証すること。

提案手法

• 4つの異なる厚さで幾何的にスケーリングされた単一き裂引張り（SENT）試験片を用いた実験的試験により、顕在強度および破壊挙動を測定した。
• 確率的有限要素モデルを用い、1 mm × 1 mmのグリッド領域にランダムな配向および空間的分布に基づきプレートレットを明示的に生成した。
• 厚さ調整アルゴリズムを用い、均一な全厚さを維持した。必要に応じて樹脂層を追加し、変動係数（CoV）を4–7%に低減した。
• 等価破壊力学を用いて、ポテンシャルエネルギー $\Pi$ からエネルギー解放率 $G(\delta,a)$ を計算した。式は $G = -\frac{1}{t} \left[ \frac{\partial \Pi}{\partial a} \right]_\delta$ で与えられる。
• 8ノードS8Rシェル要素を用いたメッシュ細分化を行い、き裂進展量 $\Delta\alpha \approx 0.008$ を設定することで、$g(\alpha)$ および $g_D(\alpha)$ の正確な計算を実現した。
• $g(\alpha)$ に対する線形回帰を実施し、初期き裂長 $\alpha_0$ における $g_D$ を抽出した。これにより、$G_f$ および $c_f$ の推定が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 厚さの増加は、DFCsのモードI応力下における顕在強度および破壊挙動にどのように影響するか？
• RQ2 DFCsにおける試験片サイズと顕在強度のスケーリング関係は何か？また、厚さはこのサイズ効果にどのように影響するか？
• RQ3 破壊エネルギー $G_f$ は厚さに応じてどのように変化するか？特定の厚さで飽和するか？
• RQ4 破壊プロセスゾーン長 $c_f$ は厚さに応じてどの程度変化するか？また、その変化は偽延性から破壊的挙動への遷移にどのように寄与するか？

主な発見

• 破壊エネルギー $G_f$ は厚さが2 mmに達するまで増加し、3 mm以上では57.77 N/mmで飽和する。
• 飽和した破壊エネルギー57.77 N/mmは、一般的なアルミニウム合金の4.81倍に相当する。
• 小規模な試験片では、限定的なサイズ効果が観察され、偽延性が強化され、線形弾性破壊力学（LEFM）からの著しい逸脱が見られた。
• 大規模な試験片では、顕在強度がLEFMとよく一致しており、破壊的挙動への遷移が示された。
• 厚さが増加するにつれてサイズ効果が弱まり、厚いDFCsはより安定的で延性のある破壊特性を示すことが示された。
• 有効破壊プロセスゾーン長 $c_f$ は厚さに依存することが判明し、厚い試験片ではより高い値を示し、エネルギー吸収の増加に寄与した。