[논문 리뷰] Elastic and Fracture Behavior of Three-Dimensional Ply-to-Ply Angle Interlock Woven Composites: Through-Thickness, Size Effect, and Multiaxial Tests

Weixin Li, Yao Qiao외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 10.

Mechanical Behavior of CompositesEngineering참고 문헌 134인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 3D 플라이 투 플라이 앵글 인터락 웨이븐 복합재의 탄성 및 균열 거동을 새롭게 개발한 축외 방향 균열 시험, SENT 시편에서의 치수 효과 분석, X선 마이크로-CT를 통합한 다축도 아르카란 고정 시험을 통해 조사한다. 바잔트의 제2형 치수 효과 법칙을 통해 처음으로 내층 균열 에너지를 객관적으로 특성화하였으며, 다양한 시편 치수에서의 전이 영역 거동과 뚜렷한 치수 효과로 인해 높은 손상 내성 특성을 입증하였다.

ABSTRACT

This work presents a comprehensive investigation of the elastic and fracture behavior of ply-to-ply angle interlock three-dimensional woven composites. The research investigated novel splitting and wedge-driven out-of-plane fracture tests to shed light on the tensile fracture behavior in the thickness direction and to provide estimates of the out-of-plane tensile strength and fracture energy. In addition, size effect tests on geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens were performed to fully characterize the intra-laminar fracture energy of the material and to study the scaling of structural strength in this type of three-dimensional composites. The results confirmed that size effect in the structural strength of these materials is significant. In fact, even if the range of sizes investigated was broader than in any previous size effect study on traditional laminated composites and two-dimensional textile composites, all the experimental data fell in the transition zone between quasi-ductile and brittle behavior. This implies strong damage tolerance of the investigated three-dimensional composites. The analysis of the data via Bazant's Type II Size Effect Law (SEL) enabled the objective characterization of the intra-laminar fracture energy of three-dimensional composites for the first time. Finally, Arcan rig tests combined with X-ray micro-computed tomography allowed unprecedented insights on the different damage mechanisms under multi-axial nominal loading conditions, particularly tension-dominated and shear-dominated conditions.

연구 동기 및 목표

• 새로운 분리 및 와이어 구동 축외 방향 균열 시험을 통해 3D 플라이 투 플라이 앵글 인터락 웨이븐 복합재의 축외 방향 인장 강도 및 균열 에너지를 특성화한다.
• 기하학적으로 스케일링된 단일면 균열 인장(SINGLE EDGE NOTCH TENSION, SENT) 시편을 통해 3D 웨이븐 복합재에서의 치수 효과에 의한 구조적 강도 변화를 연구한다.
• 바잔트의 제2형 치수 효과 법칙(Size Effect Law, SEL)을 적용하여, 3D 복합재의 고유 균열 에너지를 처음으로 객관적으로 정량화한다.
• X선 마이크로-컴퓨터 단층촬영과 결합한 아르카란 고정 시험을 통해 인장 및 전단 주로 하중 조건에서의 다축 손상 메커니즘을 탐구한다.
• 넓은 범위의 시편 치수에서 3D 웨이븐 복합재의 치수 스케일링 거동과 손상 내성 특성을 이해한다.

제안 방법

• 축외 방향 인장 강도 및 균열 에너지를 측정하기 위해 새로운 분리 및 와이어 구동 축외 방향 균열 시험을 수행하였다.
• 여러 시편 치수에서의 구조적 강도에 대한 치수 효과를 연구하기 위해 기하학적으로 스케일링된 단일면 균열 인장(SENT) 시험을 실시하였다.
• 실험 데이터에서 고유 균열 에너지 $ G_f $ 를 추출하기 위해 바잔트의 제2형 치수 효과 법칙(SEL)을 적용하였으며, 관계식 $ \sigma_{Nu} = \sqrt{\frac{E^* G_f}{D g(\alpha_0) + c_f g'(\alpha_0)}} $ 를 사용하였다.
• 등가 탄성 균열 개념을 사용하여 명목 강도와 균열 에너지를 연결하였으며, 재료 특성으로부터 명백한 균열 토성 $ K_{IcA} $ 와 명백한 균열 에너지 $ G_{fA} $ 를 구별하였다.
• X선 마이크로-컴퓨터 단층촬영과 함께 아르카란 고정 시험을 수행하여 다축 하중 조건에서의 손상 메커니즘을 시각화하고 분석하였다.
• 유한 요소 방법과 1/4점 요소 기법을 사용하여 정확한 응력 집중 계수 추정을 위해 차원 없는 함수 $ g(\alpha) $ 와 $ g'(\alpha) $ 를 수치적으로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 플라이 투 플라이 앵글 인터락 웨이븐 복합재의 축외 방향 인장 강도 및 균열 에너지는 얼마이며, 이는 축내 성질과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 시편 치수는 3D 웨이븐 복합재의 구조적 강도에 어떤 영향을 미치며, 치수 효과는 예측 가능한 스케일링 법칙을 따르는가?
• RQ3 바잔트의 제2형 치수 효과 법칙은 3D 웨이븐 복합재에 성공적으로 적용되어 고유 균열 에너지 $ G_f $ 를 추출할 수 있는가?
• RQ4 다축 하중 조건(인장 주로 및 전단 주로)에서 지배적인 손상 메커니즘은 무엇이며, 하중 증가에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 넓은 범위의 시편 치수에서 3D 웨이븐 복합재에서 준 ductile에서 취성으로의 전이 행동은 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 3D 웨이븐 복합재의 축외 방향 인장 강도는 새로운 분리 및 와이어 구동 축외 방향 균열 시험을 통해 두께 방향의 균열 특성에 대한 직접적인 추정치를 제공하였다.
• 기하학적으로 스케일링된 SENT 시편에서의 모든 실험 데이터는 준 ductile과 취성 사이의 전이 영역 내에 위치하였으며, 높은 손상 내성 특성을 나타내었다.
• 구조적 강도에 대한 치수 효과는 뚜렷하였고, 바잔트의 제2형 치수 효과 법칙에 의해 잘 기술되었으며, 이는 3D 웨이븐 복합재에 대해 고유 내층 균열 에너지 $ G_f $ 를 처음으로 객관적으로 특성화할 수 있게 하였다.
• 명백한 균열 에너지 $ G_{fA} $ 는 시편 치수가 감소할수록 감소하였으며, 이는 이러한 재료에서 균열 반응이 치수 의존적임을 확인하였다.
• 아르카란 고정 시험과 X선 마이크로-CT를 조합하여, 인장 주로 및 전단 주로 하중 조건에서 각각 다른 손상 메커니즘이 드러났으며, 이는 매트릭스 균열, 섬유-매트릭스 탈착, 섬유 군집 재정렬을 포함하였다.
• 분석 결과, 큰 시편에서는 효과적 균열 에너지 $ G_f $ 가 일정한 값에 수렴하는 것으로 나타나, $ D \to \infty $ 일 때 $ G_f $ 가 시편 치수에 영향을 받지 않는 재료 특성임을 확인하였다.