[논문 리뷰] Fracturing Behavior and Size Effect of Discontinuous Fiber Composite Structures with Different Platelet Sizes

Seunghyun Ko, Jinkyu Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 20.

Numerical methods in engineering참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 기하학적으로 스케일링된 단일면 notched 인장(SENT) 시편을 사용하여 다양한 플레이트렛 크기를 가진 불연속 섬유 복합재(DFCs)에서 모드 I 내부 라미네이트 파손 및 크기 효과를 조사한다. 등가 파손역학과 플레이트렛을 명시적으로 표현한 확률적 유한요소 모델링을 결합함으로써 저자들은 파손 에너지와 파손 프로세스 영역 길이를 특성화하며, 플레이트렛 크기 증가에 따라 파손 에너지가 선형적으로 증가하고, 명백한 크기 효과가 명백한 강도에 영향을 미치며, 더 큰 시편에서는 파손 프로세스 영역이 구조 크기에 비해 무시할 만큼 작아져 더 부서지기 쉬운 거동를 보임을 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 플레이트렛 크기를 가진 불연속 섬유 복합재(DFCs)에서 모드 I 내부 라미네이트 파손 거동과 크기 효과를 조사하기 위해.
• 시편 크기와 명목 강도의 스케일링을 정량화하고, 진동적 연성에서 부서지기 쉬운 파손으로의 전이점을 규명하기 위해.
• 무작위 미세구조와 플레이트렛 크기가 파손 에너지와 파손 프로세스 영역(FPZ) 길이에 미치는 영향을 기반으로 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• DFCs의 모드 I 파손 에너지(Gf)와 효과적 FPZ 길이(cf)를 추정하고, 플레이트렛 크기에 따른 그 의존성을 평가하기 위해.
• 크기 효과와 진동적 연성의 구조 설계 및 DFC 부품의 인증에 대한 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 75×12 mm, 50×8 mm, 25×4 mm의 세 가지 다른 플레이트렛 크기를 가진 DFC 시편에 대해 기하학적으로 스케일링된 단일면 notched 인장(SENT) 파손 시험을 수행하기 위해.
• macroscopic 구조적 거동을 재료 수준의 파손 특성과 연결하기 위해 등가 파손역학을 적용하기 위해.
• 플레이트렛의 무작위 공간 분포와 정렬을 명시적으로 표현한 확률적 유한요소 모델링을 사용하여 파손 과정을 시뮬레이션하기 위해.
• 실험 데이터에 모델을 校정하여 파손 에너지(Gf)와 효과적 파손 프로세스 영역 길이(cf)를 추정하기 위해.
• 명목 강도에 대한 크기 효과를 분석하여 시편 크기가 증가함에 따라 진동적 연성에서 부서지기 쉬운 거동로의 전이를 평가하기 위해.
• 비선형적이고 비균일한 응력장과 매트릭스 미크로크랙, 떼어짐, 플레이트렛 뽑힘과 같은 에너지 소산 메커니즘을 모델이 잘 포착할 수 있는지 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DFCs의 명목 강도는 시편 크기와 어떻게 스케일링되며, 진동적 연성에서 부서지기 쉬운 거동로의 전이는 언제 발생하는가?
• RQ2 플레이트렛 크기는 모드 I 파손 에너지(Gf)와 효과적 파손 프로세스 영역 길이(cf)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 DFCs의 무작위 미세구조는 파손 거동과 선형 탄성 파손역학(LEFM)의 타당성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 노치 민감도와 진동적 연성 측면에서 전통적인 일방향 복합재와 비교할 때 DFCs의 파손 거동은 어떻게 다른가?
• RQ5 등가 파손역학과 확률적 유한요소 모델링의 조합이 DFCs의 크기 효과와 파손 특성을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• DFCs의 명목 강도는 시편 크기가 증가함에 따라 감소하며, 구조 크기가 증가할수록 크기 효과가 더욱 두드러진다.
• 파손 에너지(Gf)는 플레이트렛 크기 증가에 따라 선형적으로 증가하며, 각각 75×12 mm, 50×8 mm, 25×4 mm 플레이트렛 크기에 대해 65.47 N/mm, 55.05 N/mm, 33.66 N/mm의 값을 기록한다.
• 세 플레이트렛 크기에 대해 효과적 파손 프로세스 영역 길이(cf)는 각각 13.21 mm, 6.41 mm, 6.54 mm로, 플레이트렛 크기에 강하게 의존함을 나타낸다.
• 작은 시편은 명백한 물리적 길이 척도의 FPZ로 인해 뚜렷한 진동적 연성을 보이며, 큰 시편은 파손 프로세스 영역이 구조 크기에 비해 무시할 만큼 작아져 LEFM 가정과 일치하는 부서지기 쉬운 거동를 보인다.
• DFCs는 일반적인 Al5083보다 2.8배에서 5.5배 높은 파손 에너지를 보이며, 이는 추락 방지 응용 분야 잠재력을 시사한다.
• 일방향 복합재와 비교할 때 DFCs는 더 높은 진동적 연성과 노치 및 결함에 대한 감도가 크게 감소한 것을 보였지만, 이 장점은 그들의 준부서지기 쉬운 성질을 인정하는 적절한 인증 지침이 필요하다.