[논문 리뷰] Effect of the Thickness on the Fracturing Behavior of Discontinuous Fiber Composite Structures

Seunghyun Ko, James Davey외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 25.

Mechanical Behavior of CompositesEngineering참고 문헌 26인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 기하학적으로 스케일링된 단일 에지 notched 인장(SENT) 시편을 사용하여 불연속 섬유 복합재(DFC)에서 두께가 모드 I 내부판자르기 및 치수 효과에 미치는 영향을 실험적·수치적으로 조사한다. 등가 균열역학과 확률적 유한요소 모델링을 융합함으로써, 두께가 2 mm 이하일 때 균열 에너지가 증가하고 57.77 N/mm에 포화되며, 이는 알루미늄보다 4.81배 높은 것으로 나타났다. 이와 동시에 치수 효과는 두께 증가에 따라 감소하여 큰 시편에서 연성에서 취성으로의 행동 전이가 발생한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 불연속 섬유 복합재(DFC)에서 구조적 두께가 모드 I 내부판자르기 거동 및 치수 효과에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실험적 및 수치적 방법을 통해 두께 함수로서의 균열 에너지 $G_f$와 효과적 균열 과정 영역 길이 $c_f$를 정량화하기 위해.
• 시험 시편 크기 및 두께 증가에 따라 연성에서 취성으로의 행동 전이를 규명하기 위해.
• DFC의 비균일한 플레이트렛 분포 및 두께 변동을 반영하는 확률적 미세-스케일 유한요소 모델을 개발하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 네 가지 두께에서 기하학적으로 스케일링된 단일 에지 notched 인장(SENT) 시편을 실험적으로 시험하여 명목 강도 및 균열 거동을 측정하기 위해.
• 확률적 유한요소 모델링을 통해 1 mm × 1 mm 격자에 균일한 확률 기반으로 랜덤한 방향과 공간 분포를 가진 플레이트렛을 명시적으로 생성하기 위해.
• 균일한 총 두께를 유지하기 위한 두께 조정 알고리즘을 적용하여 평균 두께에 맞추고 필요에 따라 수지층을 추가함으로써 변동계수(CoV)를 4–7%로 감소시키기 위해.
• 등가 균열역학을 사용하여 잠재에너지 $\Pi$ 에서 에너지 방출률 $G(\delta,a)$ 를 계산하기 위해 $G = -\frac{1}{t} \left[ \frac{\partial \Pi}{\partial a} \right]_\delta$ 를 적용하기 위해.
• 정확한 $g(\alpha)$ 와 $g_D(\alpha)$ 계산을 위해 균열 증분 크기 $\Delta\alpha \approx 0.008$ 를 사용한 8노드 S8R 쉘 요소를 이용한 메쉬 정밀화를 수행하기 위해.
• 초기 균열 길이 $\alpha_0$ 에서 $g_D$ 를 추출하기 위해 $g(\alpha)$ 에 선형 회귀를 적용함으로써 $G_f$ 와 $c_f$ 를 추정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두께 증가가 DFC의 모드 I 하중에서 명목 강도 및 균열 거동에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 DFC에서 시편 치수와 명목 강도 사이의 스케일링 관계는 무엇이며, 두께는 이 치수 효과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 균열 에너지 $G_f$ 는 두께에 따라 어떻게 변화하며, 특정 두께에서 포화되는가?
• RQ4 균열 과정 영역 길이 $c_f$ 는 두께에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 연성에서 취성으로의 전이에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 균열 에너지 $G_f$ 는 두께가 2 mm 이하일 때 증가하며, 두께가 3 mm 이상일 경우 57.77 N/mm에 포화된다.
• 포화된 균열 에너지 57.77 N/mm는 일반 알루미늄 합금의 균열 에너지보다 4.81배 높다.
• 작은 시편에서는 제한된 치수 효과가 관찰되며, 연성 특성이 향상되고 선형 탄성균열역학(LEFM)에서의 강한 이탈이 발생한다.
• 큰 시편에서는 명목 강도가 LEFM과 밀접하게 스케일링되며, 이는 취성 거동으로의 전이를 나타낸다.
• 두께 증가에 따라 치수 효과가 감소함으로써 두꺼운 DFC는 더 안정적이고 연성 있는 균열 거동 특성을 보임을 시사한다.
• 효과적 균열 과정 영역 길이 $c_f$ 는 두께에 따라 달라지며, 더 두꺼운 시편에서 더 높은 값이 관찰되어 에너지 흡수 능력 향상에 기여한다.