[論文レビュー] Fracturing Behavior and Size Effect of Discontinuous Fiber Composite Structures with Different Platelet Sizes

Seunghyun Ko, Jinkyu Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Numerical methods in engineering参考文献 15被引用数 5

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）試験を用いて、異なるプレートレットサイズを有する不連続繊維複合材料（DFCs）におけるモードI内層破壊およびサイズ効果を調査する。等価破壊力学と、プレートレットの空間的配置および配向を明示的に表現する確率的有限要素モデルを組み合わせることで、破壊エネルギーおよび破壊プロセス領域長を特定し、プレートレットサイズに伴い破壊エネルギーが線形に増加すること、および、構造サイズに比して破壊プロセス領域が無視できるほど小さいために、大規模な試験片では破壊がより脆的になる顕著なサイズ効果が示された。

ABSTRACT

This study investigates the mode I intra-laminar fracture and size effect in Discontinuous Fiber Composites (DFCs). Towards this goal, the results of fracture tests on geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens are presented and critically discussed for three platelet sizes. The results clearly show a decrease in nominal strength as the specimen size increases. This effect becomes more important as the structure size increases. It is found that, when the specimen is sufficiently large, the structural strength scales according to Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) and the failure occurs in a very brittle way. In contrast, small specimens exhibit a more pronounced pseudo-ductility with a limited scaling effect and a significant deviation from LEFM. To characterize the fracture energy and the effective length of the fracture process zone, an approach combining equivalent fracture mechanics and stochastic finite element modeling is proposed. The model accounts for the complex random mesostructure of the material by modeling the platelets explicitly. Thanks to this theoretical framework, the mode I fracture energy of DFCs is estimated for the first time and it is shown to depend significantly on the platelet size. In particular, the fracture energy is shown to increase linearly with the platelet size in the range investigated in this work.

研究の動機と目的

• 異なるプレートレットサイズを有する不連続繊維複合材料（DFCs）におけるモードI内層破壊挙動およびサイズ効果を調査すること。
• 試験片サイズに伴う顕在的強度のスケーリングを定量し、擬似延性から脆的破壊への遷移を特定すること。
• ランダムなミクロ構造およびプレートレットサイズが破壊エネルギーおよび破壊プロセス領域（FPZ）長に与える影響を捉える理論的枠組みを構築すること。
• DFCsのモードI破壊エネルギー（Gf）および有効FPZ長（cf）を推定し、それらがプレートレットサイズにどのように依存するかを評価すること。
• サイズ効果および擬似延性の構造設計およびDFC部品の認証に与える影響を評価すること。

提案手法

• 75×12 mm、50×8 mm、25×4 mmの3つの異なるプレートレットサイズを有するDFC試験片に対して、幾何的にスケーリングされた単一き裂引張り（SENT）破壊試験を実施する。
• マクロな構造的応答と材料レベルの破壊特性との関係を結ぶために、等価破壊力学を適用する。
• プレートレットのランダムな空間的配置および配向を明示的に表現する確率的有限要素モデルを用いて、破壊過程を模擬する。
• 実験データにモデルをキャリブレーションし、破壊エネルギー（Gf）および有効破壊プロセス領域長（cf）を推定する。
• 試験片サイズに伴う顕在的強度のサイズ効果を分析し、試験片サイズの増大に伴う擬似延性から脆的挙動への遷移を評価する。
• 非線形的かつ非一様な応力場およびマトリックス微き裂、デ bond、プレートレットの引き抜きなどのエネルギー散逸メカニズムをモデルがいかに捉えられるかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DFCsの顕在的強度は試験片サイズにどのように依存し、擬似延性から脆的挙動への遷移はどのように生じるか？
• RQ2 プレートレットサイズはモードI破壊エネルギー（Gf）および有効破壊プロセス領域長（cf）にどのように影響するか？
• RQ3 DFCsのランダムなミクロ構造は、破壊挙動および線形弾性破壊力学（LEFM）の妥当性にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 ノッチ感度および擬似延性の観点から、DFCsの破壊挙動は従来の一方向複合材料と比べてどのように異なるか？
• RQ5 等価破壊力学と確率的有限要素モデルを組み合わせた手法が、DFCsにおけるサイズ効果および破壊特性を正確に予測できるか？

主な発見

• DFCsの顕在的強度は試験片サイズの増大に伴い低下し、構造サイズが大きくなるほどサイズ効果が顕著になる。
• 破壊エネルギー（Gf）はプレートレットサイズに比例して線形に増加し、プレートレットサイズが75×12 mm、50×8 mm、25×4 mmのそれぞれに対し、65.47 N/mm、55.05 N/mm、33.66 N/mmの値を示した。
• 有効破壊プロセス領域長（cf）は、3つのプレートレットサイズに対してそれぞれ13.21 mm、6.41 mm、6.54 mmであり、プレートレットサイズに強く依存することが示された。
• 小規模な試験片では、顕著な材料長尺度のFPZのおかげで顕著な擬似延性を示すが、大規模な試験片ではLEFM仮定と整合する脆的破壊を示す。
• 典型的なAl5083に比べ、DFCsは2.8〜5.5倍の高い破壊エネルギーを示し、衝突耐性応用における潜在的利点を示した。
• 一方向複合材料と比較して、DFCsはより高い擬似延性を示し、ノッチおよび欠陥に対する感受性が著しく低減されているが、この利点はその準脆的性質を認識した適切な認証ガイドラインの整備を要する。