[논문 리뷰] Numerical simulation of fatigue under diametrical compression

H. Carmona, Ferenc Kun외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 03.

Asphalt Pavement Performance Evaluation인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 이방성 재료에서의 피로 파손을 모의하기 위해 2차원 이산 요소 모델을 사용하며, 손상 누적과 미세균열 치유를 포함한다. 중간 수준의 하중에서는 수명의 거듭제곱 법칙 스케일링을 보이며, 저하중에서의 치유로 인해 매크로스코픽 파손이 발생하지 않는 피로 한계가 존재함을 발견하였으며, 이는 실험적 아스팔트 결과와 정성적으로 일치한다.

ABSTRACT

We study the fatigue fracture of disordered materials by means of computer simulations of a discrete element model. We extend a two-dimensional fracture model to capture the microscopic mechanisms relevant for fatigue, and we simulate the diametric compression of a disc shape specimen under a constant external force. The model allows to follow the development of the fracture process on the macro- and micro-level varying the relative influence of the mechanisms of damage accumulation over the load history and healing of microcracks. As a specific example we consider recent experimental results on the fatigue fracture of asphalt. Our numerical simulations show that for intermediate applied loads the lifetime of the specimen presents a power law behavior. Under the effect of healing, more prominent for small loads compared to the tensile strength of the material, the lifetime of the sample increases and a fatigue limit emerges below which no macroscopic failure occurs. The numerical results are in a good qualitative agreement with the experimental findings.

연구 동기 및 목표

• 아스팔트와 같은 이방성 재료에서 피로 파손의 미세 구조적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 하중 사이클 동안 손상 누적과 미세균열 치유의 상호작용을 통제된 시뮬레이션 프레임워크에서 모델링하기 위해.
• 이완 압축 하중 조건에서의 실험적 피로 거동을 재현하고 설명하기 위해, 특히 피로 한계의 발생 원리를 밝히기 위해.
• 다양한 하중 수준이 연약하고 이방성 재료에서 수명 스케일링과 파손 임계값에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 2차원 이산 요소 모델을 손상 누적과 미세균열 치유 메커니즘을 포함하도록 확장하였다.
• 모의 실험 조건을 반영하기 위해 일정한 이방성 압축 하중을 가한 디스크 형 시편을 시뮬레이션하였다.
• 누적 변형과 치유 속도에 기반하여 국소 강도 한계를 업데이트함으로써, 미세 및 매크로 수준에서 손상의 진화를 추적하였다.
• 치유는 손상된 요소의 강도 복구로 모델링되었으며, 하중 수준과 시간에 따라 달라졌다.
• 손상과 치유의 상대적 영향을 변화시켜 이들의 병합 효과가 수명과 파손에 미치는 영향를 탐색하였다.
• 수명은 매크로스코픽 파손이 발생하기까지의 하중 사이클 수로 정의되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이완 압축 하중 조건에서 적용된 하중 수준은 이방성 재료의 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 미세균열 치유는 이방성 재료의 피로 수명 연장에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이 모델에서 피로 한계가 존재하는가? 만약 존재한다면 어떤 조건에서 나타나는가?
• RQ4 손상 누적과 치유 메커니즘이 매크로스코픽 파손을 결정하는 데 어떻게 상호작용하는가?
• RQ5 시뮬레이션 결과가 실험적 아스팔트에서 관찰된 거듭제곱 법칙 수명 스케일링과 피로 한계를 어느 정도 재현하는가?

주요 결과

• 중간 수준의 하중에서, 시편 수명은 하중 크기에 대한 거듭제곱 법칙에 따라 변화한다.
• 저하중, 특히 재료의 인장 강도 이하에서는 미세균열 치유가 두드러지게 나타나 수명이 크게 증가한다.
• 효율적인 미세균열 치유로 인해 매크로스코픽 파손이 발생하지 않는 피로 한계가 나타난다.
• 수치 결과는 아스팔트 피로 파손에 대한 실험 관찰과 양호한 정성적 일치를 보였다.
• 손상 누적과 치유의 상대적 균형이 수명 스케일링과 피로 한계의 존재 여부를 결정한다.